X선(X-ray)은 대충 파장이 10nm에서 0.01nm정도 되는 전자기파이다. 즉, 자외선보다 파장이 대충 짧고, 감마선보다 파장이 대충 길다.
X선은 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 처음 발견하여 이름을 붙였다. 그는 이 선을 ‘알 수 없는 선’이라고 이름을 붙이고 싶어했기에 그는 대수학에서 미지수를 다루는 방식과 같이 ‘미지’의 의미로 통용되는 ‘X’라는 알파벳을 사용하여 이름을 지어 X-ray라는 이름으로 작명하게되었다. 또한, 최초 발견자의 이름을 따, 뢴트겐선이라고도 한다.
왜 ‘대충’이라는 수식어가 붙느냐고 묻는다면, X선은 파장의 길이로 구분을 하는 다른 전자기파의 구분기준과는 다르게, X선은 에너지의 발생 원인으로 구분하기 때문이다. (예를 들어, 가시광선의 경우 사람 눈에 보이는 파장을 대충 싸잡아 둔 것.)
이제 X선의 발생 원리에 대해 알아보자.
X선의 발생 원리는 크게 두 가지로 분류되는데, 이 두 가지 원리로 생성된 전자기파는 X선으로 판명된다. 또한 이 두 가지 원리 모두 전자가 개입한다.
X선이 발생하는 첫 번째 원리는, 전자가 원자나 원자핵, 전자기장 등에 의해 받는 쿨롱 힘에 의해 진로가 바뀔 때에 발생한다. 즉, 전자가 가속 혹은 감속할 때 전자기파를 방출하며, 이를 제동 복사(Bremsstrahlung)라고 하며 니콜라 테슬라가 발견했다. 이는 연속 스펙트럼을 가지며 이때 발생하는 X선을 연속 X선이라고 한다.
두 번째 원리는 다음과 같다. 고속의 전자가 무거운 원자에 충돌하면 표적 원자의 궤도 전자는 궤도를 탈출하거나 높은 준위로 들뜨게 되는데, 이 궤도에서 저궤도로 떨어지면서 X선이 발생한다. 이는 양자화되어 있으므로 불연속적인 스펙트럼을 가지고, 이를 특성 X선이라고 한다.
이 X선은 전자기파이기에, 일반적인 물질에 입사할 경우 물질에 흡수되거나 산란된다. 이때 흡수되는 X선을 1차 X선, 산란되는 X선을 2차 X선이라고 한다. 이때 산란 과정은 원자핵과는 무관하고 전자에 의한 산란이다. 또한, 흡수되는 과정에서 선흡수계수. 질량흡수계수 등을 고려해야한다.
이제 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD)에 대해 알아보자.
X선은 일부 물질들을 제외하고 투과성이 높기 때문에 물성을 분석하는데 상당히 유용하다. 또한, 물질을 투과하는 과정을 분석하는데에 브래그 법칙, 라우에 방법, 회전 결정법, 분말 결정법 등이 사용되며 가장 큰 역할을 하는 것이 브래그 법칙이라고 할 수 있겠다.
브래그 법칙은 두 개 이상의 파동 사이에 서로 위상차이가 그 파장의 반 파장만큼 있을 때 서로 상쇄되고, 위상차익 그 파장의 정수배만큼 있을 때 보강되어 세기가 커진다는 법칙이다.
즉, 일정한 파장의 빛을 다양한 각도에서 비추면 반사되는 빛의 차이가 나타나고 이를 통해 물성을 분석하는 것이다.
이 분석법 중에 하나가 Small-angle X-ray scattering, 줄여서 SAXS 되시겠다.(미안하다. 이거 보여주려고 어그로 끌었다.)
한국어로는 소각 X선 산란 기술로, 나노입자, 고분자 등의 크기와 모양, 분포 등을 분석하는데 사용된다. 이름 그대로 소각, 즉 작은 각에서 X선 산란을 분석하는 방법을 사용한다. 관측 시 각도는 0.1에서 10도 사이이고, 파장이 0.07nm에서 0.2nm인 극초단파를 사용한다.
글에서 느낄 수 있겠지만 글쓴이는 이에 대해 제대로 아는 게 없다.
SAXS에서 어떤 방식으로 X선을 만들어 내는지, 어떻게 회절 데이터를 수집하는지 등등...
그럼에도 글을 쓰는 이유는 누군가가 자랑글을 남겼기 때문이다.
자랑글을 요약하자면 다음과 같다.
'나 일본에 있는 KEK(고에너지가속기기구)에 갔다 왔는데 재밌었음 ㅇㅇ 부럽지?ㅋㅋ 사진도 몇 개 찍어왔는데 궁금하면 질문 ㄱ'
글쓴이는 매우 부럽다. 때문에 배가 아프다.
따라서 제멋대로의 설명글이자 질문글이자 리뷰를 해보겠다.
<사진 1>
1. 오 뭔가 영화촬영장 같네 저 천장에 달린 노란색 철근이랑 줄은 뭐람? 전력 공급원인가?
2. 저 파란색 컨테이너는 뭐지? 에어 서큘레이터 같은게 달려있는 거 보니까 서버인가? 서버가 외부에 노출되어도 되나?
3. 11-A라고 라벨링된 건 연구 구역 이름이겠지? 아마도 2층 시설로 이동하는 계단 같은데 어디로 이어져 있을라나?
4. 역시 시선강탈하는 중앙에 있는 뭔가의 장치 꽤나 중요한 장비로 보인다. 뭐에 쓰는 장비인지 매우 궁금한걸?
5. 밑에 노란색 박스는 뭐임? 목욕용품같이 생겨가지고 ㅋㅋㅋ 당연히 아니겠지만 궁금하다.
6. 색수차 때문인가? 뭔가 조명색이 여러 개 같네?
<사진 2>
7. 전력케이블(?) 이동하는 레일이 천장에 깔려있네
8. ??? 이번 사진에 시선강탈은 소파 되시겠다. 뭐 포탈 열렸는데 거기서 소파 튀어나오던? 뭔가 연구실 분위기에 맞지 않는 낯선 물건 같다 ㅋㅋㅋ 앉아서 앞에 있는 모니터 보는 건가 봐
9. 2층(?)으로 올라가는 계단의 시작이 보인다. 디자인 뭔가 멋있다.
10. 이번에도 중앙에서 약간 왼쪽에 있는 기계, 아까랑 다른 기계지만 이것도 중요한 기계인듯 하다. 설명 좀
11. 두 칸짜리 사다리는 뭐임? ㅋㅋㅋ
12. 바닥에는 노란색 라인 깔려있네 이거 뭐라하던데. 암튼 이걸로 비상구나 다른 연구동 이동할 때 사용할 듯
13. 칠판에 뭐 붙어있는데 잘 안 보인다. 건물 설계도인가?
<사진 3>
14. 중요해보이는 기계 두 개가 한 컷에! 두 기계가 뭔지 설명 좀
15. 딱히 잘 모르겠는데 저기 끝에 소화기 있네
16. 2층에 있는 건물은 또 뭘까
17. 조명 몇 개 꺼져있는데도 꽤 밝다. 조명 뭐 쓰려나
<사진 4>
18. 칠판에 있는 거 이제야 보이네. 건물 설계도도, 기계 설계도도 아닌 기계 위치도 같아보인다.
19. 컴퓨터 옆에 있는 저 동그란 건 뭘까? 연구하다가 정신나갈 것 같을 때 빙글빙글 돌리는 심신안정 장난감은 아닌테고...
20. 의자 좋은 거 같음. 역시 척추동물은 척추가 생명이지!
21. 의자보다 앞쪽에 있는 치과에 있을 법한 기계는 뭐지. 혼자서는 별 기능없고 조립식 같아보인다.
22. 바닥에 깔려있는 노란 선은 디자인이었고~(연구실 구분 위해서 그려둔 듯). 옆에 비상구까지 10 m라고 써있네
23. 저기 위에는 2층인가? 높이가 얼추 비슷해보이네. 외부인이 연구원들 동물원의 동물마냥 구경하는 곳인줄 알았는데 옆에 비상구 등이 있네. 우리나라랑 같은 색이고. 뭐하는 통로일까?
<사진 5>
24. 안전모 색 특이하네. 중앙에 전력관리하는 건가. 두꺼비집? 옆에 서랍장에는 뭐가 있을까
25. 옆에 사다리도 있고 그 너머에 길다란 관도 실험 기구 같은데 저게 선형 가속기인가?
<사진 6>
26. 왼쪽 컴퓨터와 가운데 컴퓨터는 윈도우 7, 오른쪽 컴퓨터는 윈도우10이네. 드라이버 같은 거 호환성 때문에 그런듯?
27. 책상에 뭔가의 비번이나 이메일 적어두는 건 국룰이지 ㅋㅋㅋ
28. 컴퓨터 안의 파일명이나 프로그램 명은 잘 안 보이네. 다만 그래픽으로 보이는 기계가 BL-6A라 하는 기계인듯
29. 가운데 컴퓨터 아래에 뭔가 메모되어 있음 ㅋㅋㅋ 뭐지 tip 분석하는 거 정리해둔 건가
30. 선반 위에 의료기기 같이 생긴 거에 라벨링되어 있네 BL-8A나 BL-8 같은 거
31. 널부러진 전선 다발 위에 '정리정돈' ㅋㅋㅋㅋㅋ (물론 보기에는 안 그렇지만 선에 태그도 달려있고 저정도면 깔끔한 편)
32. 옆에 화면에는 DCCT: 450.0mA라고 되어있네. 디지털 전류계인가봐
33. Operation: EXPERIMENT(TOP-up), Energy: 2.5GeV, Vacuum: 7.33E-8 Pa, Lifetime: 362.0 min 입자 가속 실험이라도 했나?
34. 옆에 파일 되게 많네 한자는 '회절계관련'인듯?
35. 파일에 BL-8A LOG 다 써있는 거 보니 실험 결과 모아져 있나봄. 2009년부터 했나봐 ㄷㄷ
36. 전력 레일이 머리맡에 있는 거 보니 2층인듯?
37. 오른쪽에 계신분은 연구원? 입고 계신 게 연구복인가
38. 스탠드(?) 특이하게 생겼네
39. 일본식 키보드. 어떻게 생겼는지는 잘 안 보인다.
40. 컴퓨터 화면에 뜬 거 어떻게 분석하는지 알려줘요.
<사진 7>
41. 크으~ 이게 SAXS지~(아님 말고)
42. 뭐 어떻게 쓰는지도 모르겠네. SAXS면 방사능 있는 거 아닌가? 저거 막 손으로 만져도 됨?
43. 지금까지 나온 사진 중에 제일 맘에 드는 사진. 내 마음 속 사진 대상 드림.
44. 이거 뭐에 쓰는지 , 어떻게 쓰는지, 원리가 뭔지 알려줘요.
45. 다시봐도 이쁘네
지금까지 제멋대로의 날조, 비난, 선동이 포함된 설명, 질문, 리뷰가 되겠다.
즉, 반쯤 농담으로 쓴 글임.
여기쪽 전문 분야가 아니니까 뭐라 질문해야되는지도 모르겠음. 기초적인 거랑 공학적인 거 알려주면 정말 좋을 것 같다. (그리고 X선 설명에 대한 오류 지적도 해줬으면 좋겠어요.)
저 자랑글 글쓴이가 교수랑 만나서 뭔가 면담을 했다고 하는데 공개할 수 있는 내용이면 썰 좀 풀어줘요. 무슨 얘기 했는지. 농담 따먹기라도 좋으니까요...
견학이면 대학원생이나 가이드가 와서 뭔가 설명해주지 않나? 이 기계는 뭔 기술로 뭘 분석하는데 쓰이고 저는 이런 연구를 하고 있어요~ 같은 거라던지. 어떤 얘기든 환영하니까 썰 좀 풀어줘요.
(아마도 자랑글 글쓴이가 견학한 장소의 공식사이트들)
http://pfwww.kek.jp/users_info/station_spec/bl6/bl6a.html
https://www2.kek.jp/imss/pf/eng/apparatus/bl/bl6a.html
https://www2.kek.jp/imss/pf/eng/apparatus/bl/bl10c.html
http://pfwww.kek.jp/users_info/users_guide_e/station_spec_e/bl16/bl16a.html
