X선의 성질

X-선이란 재료과학분야에서는 그 무엇보다 중요한 분석장비로 어쩌면 모든 재료분석의 기본이 되는 장비일 것이다. XRD, SEM, TEM, SEM-EDX, XPS 등등 정말 수없이 많은 장비들이 X선의 원리로 움직인다. 심지어는 재료과학분야 뿐만이 아닌 물리학, 분자물리학, 의학 분야에서도 X선은 빠질수 없는 정말 기적적인 장비라고 해도 과언이 아니다. 이번 포스팅에서는 결정학에서 X선의 역사와 성질에 대해 알아보자

 

X-선은 무엇이고 어떤 원리로 재료의 원자수준에서 분석이 가능한 것일까??

 

 

X선은 빛의 성질을 가지는 전자기파로서 0.02Å ~ 100Å (Å = 대략적인 원자 사이거리 = 0.1nm) 파장을 가진다. 일반적으로 결정구조 해석에는 0.3Å ~ 3Å 길이의 파장을 사용한다. 

 

X선은 빛으로서 편광, 산란, 투과 등의 다양한 특성을 가지는데 "투과"의 성질이 가장 두드러진다. X선이 가지는 투과의 성질 덕분에 의사들은 사람을 해부하지 않고도 그 구조와 환자의 문제점을 파악하고 재료과학자들은 1분 남짓의 짧은 시간내로 결정 구조를 파악할 수 있었다.

 

X선의 원리에 대해 주구장창 설명하기 보다는 그 발견과 응용의 역사를 먼저 간단히 이야기해보는 것이 즐거울 것이다. 

 

1. X선의 발견 - Wilhelm Rontgen (1895)

X선은 그 발견조차 기적적이다. 1895년의 겨울 독일의 뷔르츠부르크(Wurzburg) 대학의 교수인 륀트겐(Wilhelm Conrad Rontgen)이라는 과학자의 손에서 그 첫 모습이 드러났다. 

륀트겐 (Wilhelm Conrad Rontgen, 1845~1923)

륀트겐은 당시 음극관을 이용한 실험을 하고있었는데 그 옆에는 빛에 반응하는 광감성 필름인 시안화백금사마륨을 준비하고 있었다. 당시 그 필름은 매우 비쌌기에 빛에 닿지 않도록 주의하며 몇겹의 종이에 싸두었다. 

 

그런데 실험을 시작하려고 음극선을 덮어둔 상자를 열기도 전에 필름이 손상되어 있었다. 륀트겐은 당연히 조수의 실수인줄 알고 다시 실험을 준비했으나 계속 똑같은 일이 반복되었다. 

음극선 (Cathode Ray Tube) 이미지

 하지만 이는 전혀 불가능했다. 음극선관은 완전 덮어져있었고 필름은 두꺼운 책 안에 있었기에 빛이 도달할 수는 없었다.  이에 의구심을 품은 륀트겐은 여러 방식으로 재실험했고 결국 음극선을 가리든 필름을 가리든 음극선의 전원만 켜져있다면 항상 가까이 있는 필름이 손상되는 것을 발견했다. 

 

당시 음극선은 그리 투과성이 높지 않다는 것은 증명되었기에 이는 전자가 아닌 다른 것의 소행이었을 것이다. 눈에 보이지 않지만 엄청난 투과력을 가지고 상당한 에너지를 전달하는 이 빛을 륀트겐은 X선 (X-ray)라고 이름지었다.

 

결국 이 발견으로 인해 륀트겐은 제1 노벨물리학 수상이라는 명예를 움켜쥘 수 있었다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

음극선 사진 출처

https://physicsopenlab.org/2017/04/18/cathode-ray-tube-experiments/

 

폰 라우에

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%83%9D%EB%AC%BC%ED%95%99-%EC%97%AD%EC%82%AC-%EB%B0%94%EA%BE%BC-%EA%B2%B0%EC%A0%95%ED%95%99%EC%9D%98-%EC%84%A0%EA%B5%AC%EC%9E%90/