[X-ray] X-ray 기초_1. X-ray란? (+ Ionization & Excitation)

X-ray는 1895년 뢴트겐(Roentgen)에 의해 우연히 발견되었습니다.

그리고 이 발견으로 인하여 그는 제1회 노벨 물리학상을 수상하는 명예를 안게됩니다.

 

아래 사진은 뢴트겐이 자신의 아내의 손을 X-ray로 찍은 세계 최초의 X-ray 이미지입니다.

한가지 특이점은 요즘 병원에서 볼 수 있는 X-ray는 뼈가 하얀색이지만 최초의 X-ray에서는 뼈가 검정색이라는 것인데,

이는 사람의 눈이 검정배경에 흰색을 보는 것에 더욱 특화되어 있기 때문에 이미지를 일부러 반전시켜서 그렇습니다.

 

즉, 의사들이 검정배경에서 하얀 뼈를 살펴봄으로써 골절, 병변 등을 더욱 잘 파악하기 위하여 이미지를 일부러 반전시킨다고 합니다.

Left: 최초의 X-ray, Right: 빌헬름 뢴트겐 [출처: www.hmap.co.kr]

X-ray를 통해 인류는 칼을 대지 않고 신체의 내부를 볼 수 있게 되었습니다.

이번 글에서는 이러한 X-ray를 어떻게 만들어내는지 알아보기 위해 필요한 사전지식을 먼저 살펴보겠습니다.

 

X-선(X-ray)이란 무엇인가?

X-ray, 즉 X-선은 방사선(radiation)의 일종으로, 강한 투과력을 가집니다.

(이 글에서 말하는 X-ray는 모두 의료장비인 X-ray가 아닌 X-ray radiation, 즉 X-선을 의미합니다.)

방사선이란 에너지를 가진 입자 혹은 파동의 흐름인데요,

위 그림과 같이 방사선의 종류에는 X-ray외에도 우리가 볼 수 있는 빛(light)과 gamma-ray등이 있습니다.

빛의 에너지에 비해 X-ray와 gamma-ray가 훨씬 큰 에너지를 갖는것을 확인할 수 있는데,

X-ray와 gamma-ray는 원자로부터 전자를 떼어낼 수 있을만큼 강력합니다.

 

원자를 전자로부터 떼어내는 것을 이온화(ionization)라고 하는데, 이온화를 가능케하는 radiation이므로 이들을 전리방사선(ionizing radiation)이라고도 합니다.

 

또한, X-ray radiation은 높은 투과력을 가집니다. 따라서 저희의 몸속을 투영하여 볼 수 있습니다.

이 특징들은 앞으로 X-ray 작동원리를 공부하는데에 필히 등장하므로 기억해두는 것이 좋습니다.

 

• X-ray는 빛보다 frequency가 높은 전리방사선(ionizing radiation)으로, 원자로부터 전자를 떼어낼 수 있다.
• X-ray는 높은 투과력을 갖는다.

 

이온화와 여기 (Ionization & Excitation)

X-ray장비는 위에서 말한것처럼 X-선을 이용합니다. 그러려면 당연히 X-선을 만들어야하는데

X-선을 발생시키는 방법을 이해하기 위해서는 위에서 잠깐 언급한 여기(excitation)와 이온화(ionization)에 대한 이해가 필요합니다.

Excitation과 ionization은 외부에서 날아온 전자(=굴러들어온 놈)가 원자에 결합되어있던 전자(=박혀있던 놈)와 상호작용하는 것입니다.

 

여기(Excitation)란?

굴러들어온 놈이 박힌 놈에 부딪혔는데, 전자의 결합에너지보다는 낮은 에너지를 가질 때,

부딪힌 박혀있던 전자가 더 높은 에너지의 상태인 outer orbit(쉽게 말해 더 바깥쪽의 원)으로 옮겨가고, 이로 인하여 원자 상태가 들뜬상태(higher energy state)로 변하게 됩니다. 이를 excitation이라고 합니다.

(굴러들어온 놈이 쳐서 박힌놈을 옮긴 상황입니다.)

 

부딪힌 전자가 바깥 원으로 옮겨갔으므로 그 전자가 있던 자리는 비게 되는데, 이러한 상태는 매우 불안정하므로 원자는 다른 전자를 그 빈 자리로 보내서 상태를 다시 안정화시킵니다. 이를 relaxation이라고 합니다.

위 그림에서 회색 전자가 하얀 굴러들어온 녀석에게 부딪혀 바깥원(outer orbit)으로 가고 빈 자리를 채우기 위해 전자가 다시 그 자리를 채우는 것을 확인할 수 있습니다.

 

 

이온화(Ionization)란?

위의 과정에서 굴러들어온 놈의 에너지가 박힌놈과 원자의 결합에너지보다 높으면 어떻게 될까요?

박힌놈이 아예 원자로부터 떨어져 나가는 것을 쉽게 상상할 수 있습니다.

즉, 원자에 박혀있던 전자가 원자로부터 떨어져 free electron이 되는 것입니다.

(굴러들어온 놈이 박힌놈을 쳐서 빼내는 상황입니다.)

 

아래 그림에서 하얀색의 굴러들어온 놈이 회색의 박혀있던 전자와 부딪혔을 때,

원자에 결합되어있던 회색 전자가 튕겨져 나와 free electron이 되는 것을 ionization이라고 합니다.

 

 

 

즉, 외부에서의 전자와 원자에 결합된 전자가 부딪혔을 때,

외부에서 날아온 전자의 에너지가 원자에 결합되어 있는 전자의 결합에너지보다 크면 ionization이 발생하고, 작으면 exciatation만이 발생합니다.

 

다음 게시글에서는 이번에 살펴본 사전지식을 바탕으로 X-ray를 어떻게 만들어내는지에 대하여 알아보겠습니다.

피드백과 질문은 항상 환영합니다. 감사합니다.

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References

Jerry L. Prince, Jonathan M.Links 『Medical imaging signals and systems』, Pearson (2006)

https://www.seceng.co.kr/technology/xray_principle/

https://qsstudy.com/physics/excitation-and-ionization-potential-of-an-atom