안녕하세요.
이번 시간에는 X-ray diffraction (XRD)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
1. X-ray란?
X-ray를 우리말로 뭐라고 할까요?
바로 X-선이라고 합니다.
X-선이라고 하면, 위 그림과 같은 이미지를 바로 떠올리실 겁니다.
혹은 방사선과를 떠올리시겠죠.
잘 아시다시피, X-ray 촬영을 통하여 우리 몸에 보이지 않는 뼈의 모양을 알 수 있습니다.
X-ray를 사용할 줄 몰랐던 과거에는, 뼈가 이상한지 알기 위해서 직접 잘라야만 알 수 있었습니다.
하지만, X-ray를 발견한 이후에는 살을 도려내지 않고, 즉 파괴하지 않고도 내부에 있는 무언가를 관찰할 수 있게 되었죠.
X-ray는 누군가가 발명한 것이 아니라, 발견한 것 입니다.
바로 Wilhelm Conrad Röntgen 입니다.
Röntgen은 실험 도중 우연치 않게 어떤 특성을 갖는 빛을 발견하게 되고 (, 당시에는 이게 무엇인지 몰라서 X-ray라고 표현 한 것이 지금까지 사용되고 있습니다.
만약 Röntgen이 당시에 Röntgen-ray라고 명명 했다면 우리는 지금 뢴트겐선이라고 불러야만 했을 겁니다.
위 사진은 Röntgen이 부인의 손을 X-ray로 촬영한 것 입니다.
이 때 Röntgen은 무엇인지 정확히는 모르겠으나, 발견된 빛 (X-ray)을 사람에게 조사하니 속에 있는 뼈는 통과시키지 못하고 금속인 성분을 갖는 반지도 통과시키지 못하는 것을 알게 되었습니다.
이 발견은 어마어마한 확장으로 이어집니다.
가장 먼저 활용된 것은 의학 분야 입니다.
절개하지 않고 뼈의 상태를 알 수 있으니 이거야 말고 외과에서는 혁명이었겠죠.
그리고 당시에 산업 혁명이 일어나고 있었는데, 용접이 잘 되었는지를 판단하기 위하여 X-ray를 많이 사용했습니다.
왜냐고요? 파괴하지 않고도 용접이 잘되었는지 확인할 수 있으니까요.
그런데 말입니다...
당시에 X-ray에 자주 피폭된 사람들이 하나, 둘... 젊은 나이에 사망하게 되었습니다.
이 때 많은 사람들이 X-ray가 사람에게 안 좋다는 것을 알게 되었고, 그 이유는 강한 energy를 갖고 있는 X-ray를 많이 받게되면 세포의 변형이 일어나서 암과 같은 세포들이 발생되기 때문이었습니다.
이 후에 사람들은 X-ray을 얼마나 피폭되도 되는 것인지 연구를 했고, 현재 기준으로는 아래와 같은 수치로 규정하고 있습니다.
연간 일상 생활에서 노출되는 방사선량 : 2.5~2.95 mSv (밀리시버트)
인천-뉴욕 비행기 왕복 탑승 : 0.2 mSv
흉부 X-ray 촬영 : 0.05 mSv/회
위 X-ray 촬영 : 0.6 mSv/회
원자력 발전소 주변 : 0.05 mSv/년
최대 허용 방사선 피폭량 : 250 mSv/년
생각보다 일상 생활에서 피폭되는 방사선량이 많습니다.
그런데 허용치는 250 mSv/년으로 높은 편이므로 안심하셔도 될 것 같습니다.
2. X-ray 성질
X-ray는 어떠한 성질이 있을까요?
위에서 잠시 설명 드렸듯이, X-ray는 기본적으로 빛의 성질을 가지고 있습니다.
빛은 굴절, 반사, 산란 등의 성질이 있는데요.
X-ray도 빛의 한 종류이므로 빛이 가지고 있는 성질을 가지고 있습니다.
빛은 에너지를 가지고 있는데요.
이 말을 안 믿으시는 분이 있습니다.
빛이 어떻게 에너지를 가지고 있어?라고 의문을 가질 수 있는데요.
여름이건 겨울이건 햇빛이 비치는 베란다에서 햇빛을 받고 있으면 뜨겁습니다.
피부가 타기도 하고요, 이게 빛이 에너지를 가지고 있다는 증거입니다.
에너지의 여러 형태 중 열에너지로 보여지게 되는 것이죠.
위 식은 파장과 에너지의 관계를 잘 보여주는 식입니다.
제가 원래 식을 이용하여 설명하는 것을 별로 안좋아하는데요, 위 식은 꼭 기억해주시길 바랍니다.
E는 에너지 (energy), h는 플랑크 상수 (Planck constant), c는 빛의 상수 (light constant), λ는 파장 (wavelength) 입니다.
즉, 파장이 짧을 수록 큰 에너지를 갖게 됩니다.
X-ray는 0.01~10 nm의 파장을 갖는데요, 이것을 에너지로 환산하면, 100~100,000 eV가 됩니다.
이게 왜 큰 에너지라고 말씀드리라면, 가시광 (visible) 영역에서의 파장을 에너지로 환산하면 1.5~3.0 eV 밖에 되지 않습니다.
3.0 eV 때문에 피부가 타고 피부암에 걸리기도 하는데요.
이렇게 생각해보면 X-ray는 굉장히 큰 에너지를 가지고 있는 빛이라고 할 수 있습니다.
다만, 에너지가 큰 빛일수록 이동거리가 짧다는 것을 명심해주세요.
가시광선은 에너지가 작기때문에 태양에서 지구까지 이동할 수 있답니다.
분석 쪽에서 사용하는 X-ray의 성질은 바로 diffraction (회절) 입니다.
X-ray의 회절이라는 성질을 이용하여 재료의 결정 분석을 할 수 있습니다.
회절을 굉장히 어려운 이론이라고 생각하시는 분들이 있는데요.
재료을 전공했다면 한 번쯤은 들어봤을 Bragg's law (브래그 법칙)을 이용면 됩니다.
Bragg's law가 절대 어려운 것이 아니니, 한 번 잘 따라와 보시기 바랍니다.
그림 준비 중...
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