IV. 방사선화학..............................................................................................  136

제1장  사선화학의 정의 ............................................................................ 6

13

제1절  방사선..................................................................................................... 136

1.1 전리방사선................................................................................................ 136

1.2 전리방사선의 종류 .................................................................................. 136

제2절  방사선화학 ............................................................................................. 136

2.1 방사선화학 ................................................................................................ 136

2.2 방사화학 .................................................................................................... 136

(연습문제)......1

37

제2장  방사선원 ............................................................................................ 1

37

제1절  방사성동위원소 선원 .......................................................................... 138

1.1 방사선원으로 많이 사용되는 동위원소 ............................................. 138

1.2 [eqn: alpha]선원 ......................................................................................................... 138

1.3 [eqn: beta]선원 ......................................................................................................... 138

1.4 [eqn: gamma]선원 ......................................................................................................... 138

제2절  입자가속기 ............................................................................................. 139

2.1 입자가속기 ................................................................................................ 139

2.2 입자가속기의 종류 및 특성 .................................................................. 139

(연습문제)........1

40

제3장  방사선의 화학작용 ........................................................................ 1

41

제1절  방사선에 의한 화학작용시 초기생성물 3가지 ............................. 141

1.1 여기분자 .................................................................................................... 141

1.2 이온 ............................................................................................................. 141

1.3 자유라디칼 ................................................................................................ 142

제2절  방사선의 화학적수율 .......................................................................... 142

2.1 종류 ............................................................................................................. 142

2.2 특성 ............................................................................................................. 142

2.3 이온쌍수 .................................................................................................... 142

2.4 이온쌍수율 ................................................................................................ 142

(연습문제)........1

43

IV.  방사선화학

제1장  방사선화학의 정의

제1절  방사선

1.1 전리방사선(Ionization Radiation)

그 에너지가 충분히 커서 이 방사선이 통과하는 물질에 이온화 즉, 전리를 일으킬 수 있는 방사선

1.2 전리방사선의 종류

(1) X선, [eqn: gamma선] 등 고에너지[eqn: (keV sim MeV)]의 전자파

(2) 높은 운동에너지를 가진 전자, 양전자, 양자, [eqn: alpha]입자, 중성자 및 각종 이온 등 입자선

제2절  방사선화학

2.1 방사선화학(Radiation Chemistry)

전리방사선이 물질에 조사될 때 발생되는 화학작용을 연구하는 학문으로 동위원소등을 화학반응을 일으키기 위한 선원으로만 사용한다.

2.2 방사화학(Radiochemistry)

열중성자에 의한 핵반응, 핵의 붕괴 등 핵 자체의 반응과 이들 동위원소를 추적자로 사용하는 화학반응을 다룬다.

[ 연 습 문 제 1]

1. 전리방사선의 용어를 간단히 설명하고 종류를 3가지 이상 적어라

[풀이] 그 에너지가 충분히 커서 이 방사선이 통과하는 물질에 이온화 즉, 전리를 일으킬 수 있는 방사선

○ 전리방사선의 종류

(1) X선, [eqn: gamma선] 등 고에너지[eqn: (keV sim MeV)]의 전자파

(2) 높은 운동에너지를 가진 전자, 양전자, 양자, [eqn: alpha]입자, 중성자 및 각종 이온 등 입자선

2. 방사선화학과 방사화학을 간단히 설명하여라.

[풀이] (1) 방사선화학(radiation chemistry)

전리방사선이 물질에 조사될 때 발생되는 화학작용을 연구하는 학문으로 동위원소 등을 화학반응을 일으키기 위한 선원으로만 사용한다.

(2) 방사화학(radiochemistry)

열중성자에 의한 핵반응, 핵의 붕괴 등 핵 자체의 반응과 이들 동위원소를 추적자로 사용하는 화학반응을 다룬다.

제2장  방사선원

제1절  방사성동위원소 선원

1.1 방사선원으로 많이 사용되는 동위원소

동위원소	종 류	반감기	선종 및 에너지[eqn: (MeV)]
자연동위원소	[eqn: Pu^238] [eqn: Ra^226] [eqn: R n^222]	[eqn: 138d] [eqn: 1,620y] [eqn: 3.83d]	[eqn: alpha](5.304), [eqn: gamma](0.8) [eqn: alpha](4.777), [eqn: alpha](4.589), [eqn: gamma](0.188) [eqn: alpha](5.49)
인공동위원소	[eqn: Cs^137] [eqn: Co^60] [eqn: H^3] [eqn: P^32] [eqn: Sr^90}+Y^90] [eqn: S^35]	[eqn: 30y] [eqn: 5.27y] [eqn: 12.26y] [eqn: 14.22d] [eqn: 28y/64h] [eqn: 87.2y]	[eqn: beta](1.18 : 최대), [eqn: beta](0.52 : 최대) (0.24 : 평균), [eqn: gamma](0.662) [eqn: beta](0.314 : 최대), (0.093 : 평균) [eqn: gamma](1.332), [eqn: gamma](1.173) [eqn: beta](0.018 : 최대), (0.0055 : 평균) [eqn: beta](1.710 : 최대), (0.70 : 평균) [eqn: beta](0.544 : 최대), (0.205 : 평균) [eqn: beta](2.25 : 최대), (0.049 : 평균)

1.2 [eqn: alpha]선원

(1) [eqn: alpha]선의 특징

방사성핵종으로부터 일정한 운동에너지를 가지고 방출되는 입자

① 구성성분 :[eqn: ~_2^4}He]

② 전자와의 비탄성충돌

③ 투과력 : 수 [eqn: cm_air]

④ 표면조사에 이용

(2) 종류

① 동위원소 : [eqn: {Ra^226},~{Po^210},~{Rn^222}] 등

② 핵반응 :[eqn: {~^10}B(n,alpha)^7}Li],[eqn: {~^6}Li(n,alpha)^3}H] 등

1.3 [eqn: beta]선원

(1) [eqn: beta]선의 특징

방사성핵종으로부터 방출되는 고속전자

① 에너지 분포 : [eqn: {E_0}<={E_beta}<={E_{ma x}}]

② 궤도전자와의 비탄성충돌

③ 투과력 : 수 [eqn: mm_Al]

④ 얇은 시료 또는 표면조사에 이용한다.

(2) 종류 : [eqn: {H^3},~{C^14},~{P^32},~{S^35},~{Sr^90},~{Y^90}] 등

1.4 [eqn: gamma]선원

(1) [eqn: gamma]선의 특징

방사성핵종으로부터 방출되는 전자파

① 파장 : [eqn: 3times{10^-9}sim3times{10^-11}cm]

② 에너지 : [eqn: 40keV sim 4MeV]

③ 전하를 띠고 있지 않기 때문에 물질중의 전자와의 작용이 쉽게 일어나지 않는다.

④ 투과력 : 수 [eqn: cm_Pb]

⑤ NDT에 많이 이용한다.

(2) 종류

① [eqn: Co^60]

ⓐ 제조방법 :[eqn: {~^59}Co(n,gamma)^60}Co]

ⓑ 반감기 : 5.27년

② [eqn: Cs^137]

ⓐ 제조방법 : 원자로의 핵분열생성물로부터 분리하여 얻는다.

ⓑ 반감기 : 30년

제2절  입자가속기

2.1 입자기속기

전장이나 자장의 변화로 하전입자를 가속시켜 고에너지의 입자를 얻는 장치

2.2 입자가속기의 종류 및 특성

가 속 기 명	가속입자	궤 도	비 고
Cockcroft Walton 형	[eqn: e,~p,~d,~alpha]	직 선	배전압정류회로(전장)
Van de Graf 형	[eqn: e,~p,~d,~alpha]	직 선	절연벨트(전장)
선형가속기	[eqn: e,~p]	직 선	도파관(전장)
신크로트론	[eqn: e,~p]	회 전	반원형전극 Dee(자장)
싸이클로트론	[eqn: p,~d,~alpha,~C^12]	회 전	주파수변조(자장)
신크로싸이클로트론	[eqn: p,~d]	회 전	주파수변조(자장)
베타트론	[eqn: e]	회 전	전자유도, 교류자계(자장)

○ 싸이클로트론을 이용하여 생성하는 양자과다핵종(중성자과소핵종)이 의료용으로 각광받는 이유

(1) 일반적으로 단반감기여서 인체에 대한 방사선손상이 적다.

(2) 양전자 소멸에 의한 동시계수법을 적용가능하여 훨씬 정확한 진단이 가능하다.

(3) 농축표적을 사용 가능하다.

(4) 고비방사능의 RI를 얻을 수 있다.

[ 연 습 문 제 2]

1. 대표적 [eqn: alpha]선원의 종류를 3가지 이상 적어라.

[풀이] (1) 동위원소 : [eqn: {Ra^226},~{Po^210},~{Rn^222}] 등

(2) 핵반응 :[eqn: {~^10}B(n,alpha)^7}Li],[eqn: {~^6}Li(n,alpha)^3}H] 등

2. 대표적 [eqn: beta]선원의 종류를 3가지 이상 적어라.

[풀이] [eqn: {H^3},~{C^14}~{P^32},~{S^35},~{Sr^90},~{Y^90}] 등

3. 대표적 [eqn: gamma]선원인 [eqn: {Co^60},~{Cs^137}]의 제조방법과 반감기를 적어라.

[풀이] (1) [eqn: Co^60]

① 제조방법 :[eqn: {~^59}Co(n,gamma)^60}Co]

② 반감기 : 5.27년

(2) [eqn: Cs^137]

① 제조방법 : 원자로의 핵분열생성물로부터 분리하여 얻는다.

② 반감기 : 30년

4. 싸이클로트론을 이용하여 생성하는 양자과다핵종(중성자과소핵종)이 의료용으로 각광 받는 이유를 설명하여라.

[풀이] (1) 일반적으로 단반감기여서 인체에 대한 방사선손상이 적다.

(2) 양전자 소멸에 의한 동시계수법을 적용가능하여 훨씬 정확한 진단이 가능하다.

(3) 농축표적을 사용 가능하다.

(4) 고비방사능의 RI를 얻을 수 있다.

제3장  방사선의 화학작용

*

제1절  방사선에 의한 화학작용시 초기생성물 3가지

1.1 여기분자(Excited Molecule)

분자나 원자의 궤도전자가 가장 안정한 기저상태에 있지 않고 더 높은 에너지 상태에 있는 것을 여기상태라 한다.

(1) 해리나 이성체 생성

① [eqn: A~SIM~->~A^ AST]

② [eqn: A~SIM~->~A^+}~+~e^-]

③ [eqn: A^+}~+~{e^-}~->~{A^ ASTAST }~->~A^ AST]

(2) 일분자반응(unmolecular reaction)과 이분자반응(bimolecular reaction)

① 일분자반응

ⓐ [eqn: {A_trans^ AST }~->~{A_dis^ AST }] (isomericzation)

ⓑ [eqn: {(R~:S)^ AST }~->~R CDOT+~S CDOT]

② 이분자반응

ⓐ [eqn: {A^ AST }~+~B~->~{A^+}~+~{B^-}] (electron transfer)

ⓑ [eqn: {A^ AST }~+~RH~->~AH CDOT +~R CDOT] (abstraction)

ⓒ [eqn: {A^ AST }~+~B~->~AB] (addition)

(3) 여기분자나 원자들은 다음과 같이 소멸된다.

① 여분의 에너지를 빛(광자)으로 방출하고 기저상태로 돌아가는 형광 방출

(fluorescence)

②빛을 방출하지 않고 다른 입자와의 충돌에 의해 같은 중첩도(multiplicity)보다 낮은 상태로 변환되는 내부변환(internal conversion)

③ 중첩도가 다른 상태로 변환되는 계간변환(intersystem crossing)

④ 자신이 가진 여기에너지를 다른 입자에 전달하고 기저상태로 돌아가는 과정

1.2 이온(Ions)

(1) 이온은 전리방사선이 원자 또는 분자의 전자궤도를 그 핵으로부터 완전히 분리시킴으로써 생성된다.

① 궤도전자의 이탈 : [eqn: A~sim~->~{A^+}~+~e^-]

② 전자포획 : [eqn: A~+~{e^-}~->~A^-]

(2) 생성된 이온들은 다음과 같은 반응에 의해 소멸된다.

① 이온재결합(ion recombination) : [eqn: {A^+}~+~{e^-}~->~A^AST]

(예)[eqn: {C_2}{H_5}^+}~+~{e^-}~->~(cdot{C_2}{H_5})^AST}]

② 해리(dissociation) : [eqn: {({A^+})^AST}~->~{M^+}~+~N]

(예)[eqn: {({CH_4}^+})^AST}~->~{{CH_3}^+}~+~H cdot]

③ 전하이동(charge transfer) : [eqn: {A^+}~+~B~->~A~+~B^+]

(예)[eqn: {He^+}~+~N e~->~He~+~N e^+]

④ 이온１분자간 반응 : [eqn: {A^+}~+~B~->~{C^+}~+~D]

(예)[eqn: {H_2}{O^+}~+~{H_2}O~->~{H_3}{O^+}~+~OH CDOT]

1.3 자유라디칼(Free Radical)

다른 입자와 결합을 이룰 수는 있으나 결합에 사용되지 않은 전자(unpaired    electron)를 가진 원자나 분자를 말한다. 이온이나 여기분자는 물질과 방사선과의 직접작용에 의해 생성되는 반면 자유라디칼은 여기분자의 해리나 이온반응(해리, 이온１분자간반응, 중화반응) 등에 의해 생성되며 전자스핀공명장치(ESR)에 의해 감지할 수 있다.

(1) 생성 : [eqn: (R : S)~->~R CDOT ~+~S CDOT]

(2) 반응

① 해리반응(radical dissociation) : [eqn: RA CDOT ~->~R CDOT +~A]

(예) [eqn: {(CH_3})_3}CO CDOT ~->~CDOT {CH_3}~+~{CH_3}COCH_3]

② 부가반응(addition) : [eqn: A CDOT ~+~B~->~AB CDOT]

(예) [eqn: Br CDOT ~+~R~-~CH~=~CH_2}~->~R~-~CH~-~{CH_2}Br CDOT]

③ 추출반응(abstraction) : [eqn: A CDOT ~+~BC~->~AB~+~C]

(예) [eqn: CDOT OH ~+~{CH_3}OH~->~{H_2}O~+~{CH_2}OH]

(3) 소멸

① 라디칼끼리의 결합(radical combination) : [eqn: R CDOT ~+~S CDOT ~->~RS]

(예) [eqn: H CDOT ~+~CDOT {C_2}{H_5}~->~{C_2}H_6]

② 전하이동반응(electron transfer) : [eqn: A CDOT ~+~{Fe^2+}~->~{A^-}~+~Fe^3+]

(예) [eqn: OH~+~{Fe^2+}~->~{OH^-}~+~Fe^3+]

제2절  방사선의 화학적수율([eqn: G]값)

물질이 흡수한 방사선에너지[eqn: 100eV]당 생성(또는 소멸)하는 입자의 수

[eqn: X~SIM->~Y~+~Z]

[eqn: G(molecules/100eV)={M over{U/100}}={M over U}times100= {M over N}times{100 over W}(eV)]

2.1 종류

(1) [eqn: G(Y)-value,~G(Z)-value]

(2) [eqn: G(-X)=G(Y)+G(Z)]

2.2 특성

[eqn: G]값은 보통 [eqn: 0.1sim1,000eV]당 1개의 결합이 절단되며 화학결합의 세기는 [eqn: 2eV]로 나머지는 열로 전환된다.

(1) [eqn: G]값 : 0.1 이하

① 방사선에 매우 안정한 물질

② 벤젠, 나프탈렌(공유2중결합) 등으로 특히 polystyrene가 안정

(3) [eqn: G]값 : [eqn: {10^2}sim10^4]

방사선에 의해 발열반응을 일으킨다.

2.3 이온쌍수

[eqn: N={U over W}] (기체의 [eqn: W] 치 : 약 [eqn: 34eV])

2.4 이온쌍수율

[eqn: 이온쌍수율={M over N}={MW over U}={M over100}G]

[ 연 습 문 제 3]

1. 방사선의 화학적수율[eqn: (G-value)]에 대하여 설명하시오.

[풀이] 화학적수율[eqn: (G-value)]

물질이 흡수한 방사선에너지[eqn: 100eV]당 생성(또는 소멸)하는 입자의 수

[eqn: X~SIM->~Y~+~Z]

[eqn: G(molecules/100eV)={M over{U/100}}={M over U}times100= {M over N}times{100 over W}(eV)]

이온쌍수 : [eqn: N={U over W}] (기체의 [eqn: W] 치 : 약 [eqn: 35eV])

[eqn: 이온쌍수율={M over N}={MW over U}={M over100}G]

(1) 종류

① [eqn: G(Y)-value,~G(Z)-value]

② [eqn: G(-X)=G(Y)+G(Z)]

(2) 특성

[eqn: G]값은 보통 [eqn: 0.1sim1,000eV]당 1개의 결합이 절단되며 화학결합의 세기는 [eqn: 2eV]로 나머지는 열로 전환된다.

① [eqn: G]값 : 0.1 이하

ⓐ 방사선에 매우 안정한 물질

ⓑ 벤젠, 나프탈렌(공유2중결합) 등으로 특히 polystyrene가 안정

② [eqn: G]값 : [eqn: {10^2}sim10^4]

방사선에 의해 발열반응을 일으킨다.

2. 방사선에 의한 화학작용시 초기생성물 3가지를 설명하시오.

[풀이] (1) 여기분자(excited molecule)

분자나 원자의 궤도전자가 가장 안정한 기저상태에 있지 않고, 더 높은 에너지 상태에 있는 것을 여기상태라 한다.

① 해리나 이성체 생성

ⓐ [eqn: A~SIM~->~A^ AST]

ⓑ [eqn: A~SIM~->~A^+}~+~e^-]

ⓒ [eqn: A^+}~+~{e^-}~->~{A^ ASTAST }~->~A^ AST]

②일분자반응(unmolecular reaction)과 이분자반응(bimolecular reaction)

ⓐ 일분자반응

○ [eqn: {A_trans^ AST }~->~{A_dis^ AST }] (isomericzation)

○[eqn: {(R~:S)^ AST }~->~R CDOT+~S CDOT]

ⓑ 이분자반응

○ [eqn: {A^ AST }~+~B~->~{A^+}~+~{B^-}] (electron transfer)

○ [eqn: {A^ AST }~+~RH~->~AH CDOT +~R CDOT] (abstraction)

○ [eqn: {A^ AST }~+~B~->~AB] (addition)

③ 여기분자나 원자들은 다음과 같이 소멸된다.

ⓐ 여분의 에너지를 빛(광자)으로 방출하고 기저상태로 돌아가는 형광 방출(fluorescence)

ⓑ 빛을 방출하지 않고 다른 입자와의 충돌에 의해 같은 중첩도    (multiplicity)보다 낮은 상태로 변환되는 내부변환(internal conversion)

ⓒ 중첩도가 다른 상태로 변환되는 계간변환(intersystem crossing)

ⓓ 자신이 가진 여기에너지를 다른 입자에 전달하고 기저상태로 돌아가는 과정

(2) 이온(ions)

① 이온은 전리방사선이 원자 또는 분자의 전자궤도를 그 핵으로부터 완전히 분리시킴으로써 생성된다.

ⓐ 궤도전자의 이탈 : [eqn: A~sim~->~{A^+}~+~e^-]

ⓑ 전자포획 : [eqn: A~+~{e^-}~->~A^-]

② 생성된 이온들은 다음과 같은 반응에 의해 소멸된다.

ⓐ 이온재결합(ion recombination) : [eqn: {A^+}~+~{e^-}~->~A^AST]

(예)[eqn: {C_2}{H_5}^+}~+~{e^-}~->~(cdot{C_2}{H_5})^AST}]

ⓑ 해리(dissociation) : [eqn: {({A^+})^AST}~->~{M^+}~+~N]

(예)[eqn: {({CH_4}^+})^AST}~->~{{CH_3}^+}~+~H cdot]

ⓒ 전하이동(charge transfer) : [eqn: {A^+}~+~B~->~A~+~B^+]

(예)[eqn: {He^+}~+~N e~->~He~+~N e^+]

ⓓ 이온１분자간 반응 : [eqn: {A^+}~+~B~->~{C^+}~+~D]

(예)[eqn: {H_2}{O^+}~+~{H_2}O~->~{H_3}{O^+}~+~OH CDOT]

(3) 자유라디칼(free radical)

다른 입자와 결합을 이룰 수는 있으나 결합에 사용되지 않은 전자(unpaired electron)를 가진 원자나 분자를 말한다. 이온이나 여기분자는 물질과 방사선과의 직접작용에 의해 생성되는 반면 자유라디칼은 여기분자의 해리나 이온 반응(해리, 이온１분자간반응, 중화반응) 등에 의해 생성되며 전자스핀공명장치(ESR)에 의해 감지할 수 있다.

① 생성 : [eqn: (R : S)~->~R CDOT ~+~S CDOT]

② 반응

ⓐ 해리반응(radical dissociation) : [eqn: RA CDOT ~->~R CDOT +~A]

(예) [eqn: {(CH_3})_3}CO CDOT ~->~CDOT {CH_3}~+~{CH_3}COCH_3]

ⓑ 부가반응(addition) : [eqn: A CDOT ~+~B~->~AB CDOT]

(예)[eqn: Br CDOT+ R-CH=CH_2}->R-CH-{CH_2}Br CDOT]

ⓒ 추출반응(abstraction) : [eqn: A CDOT ~+~BC~->~AB~+~C]

(예) [eqn: CDOT OH ~+~{CH_3}OH~->~{H_2}O~+~{CH_2}OH]

③ 소멸

ⓐ 라디칼끼리의 결합(radical combination) : [eqn: R CDOT +S CDOT ->RS]

(예) [eqn: H CDOT ~+~CDOT {C_2}{H_5}~->~{C_2}H_6]

ⓑ 전하이동반응(electron transfer) : [eqn: A CDOT+{Fe^2+}->{A^-}+Fe^3+]

(예) [eqn: OH~+~{Fe^2+}~->~{OH^-}~+~Fe^3+]