X-ray와 XRF

Bowman의 XRF 측정기는 형광 엑스레이 기술을 사용하여 도금의 두께와 성분을 분석합니다. 엑스레이는 독일의 물리학자 빌헬름 뢴트겐 (Wilhelm Rontgen)이 1895년에 발견하였습니다. 그는 필름에 노출된 알려지지 않은 그 빛을 “엑스레이”라고 이름 붙이고 자기 손의 이미지를 가지고 그의 발견을 발표하였습니다.

오늘날 엑스레이는 자외선과 감마선 사이의 주파수를 가진 전자기 방사선의 한 형태로 알려지고 있습니다. 대부분의 엑스레이는 0.01에서 10나노미터의 파장을 가지며, 그림 1에서 보여주듯이 고유의 진동을 가지고 있습니다.

그림 1

빌헬름 콘라드 뢴트겐 (Wilhelm Conrad Roentgen)은 이 발견으로 1901년에 첫 번째 노벨 물리학상을 수상하였습니다.

엑스레이는 또한 입자(광자)로 정의되며 에너지 단위인 eV로 설명할 수 있습니다. 에너지 단위와 파장의 단위는 서로 교환이 가능합니다. 따라서, 엑스레이는 파동과 입자 양쪽 모두의 성질을 가집니다. 이는 엑스레이의 특성을 이해하는데 있어서 중요한 개념입니다.

엑스레이는 광자 혹은 대전입자의 충돌에 의한 제동복사를 통해 만들어 집니다. 엑스레이 튜브 안에서 광자를 가속시켜 타켓 물질을 때립니다. 이 충돌에 의해 광자의 운동에너지는 엑스레이와 열로 변환됩니다.

여기서 흥미로운 점은 파동의 성질로는 이 광전효과를 설명할 수 없다는 것입니다. 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)과 막스 플랑크(Max Planck)는 빛이 파동과 같이 움직이지 않고, 특정한 에너지를 가진 하나의 묶음인 “패킷(Packets)”과 같다고 제안했습니다. 몇 년 후 미국의 화학자 길버트 루이스(Gilbert Lewis)는 이 빛의 패킷을 광자라고 이름 지었습니다. 하지만 사람들은 1923년, 미국의 물리학자 아써 콤프턴(Arthur Compton)이 엑스레이 산란을 발견하지 전까지 이 아인슈타인의 이론에 회의적이었습니다. 콤프턴은 흑연에 엑스레이를 충돌시켰고 산란된 엑스레이의 에너지가 적다는 것을 발견했습니다. 이러한 현상을 콤프턴 산란이라고 이름 지었는데, 이는 아인슈타인과 플랑크의 이론으로 설명될 수 있습니다. 전자와 충돌하는 동안 엑스레이와 같은 입자는 그 운동량의 일부를 전자에 전달하고 결과적으로 엑스레이는 다른 방향으로 굴절하며 더 적은 에너지와 다른 파장으로 방출됩니다.

Wilhelm Roentgen
1845 – 1923

아인슈타인과 플랑크의 이론은 콤프턴 산란을 설명할 수 있지만 한가지 문제가 있습니다. 운동에너지를 가지기 위해서 광자는 질량이 있어야 합니다. 왜냐하면, 고전 물리학에서 운동에너지는 질량, 시간, 속도로 정의되기 때문입니다. 하지만, 광자는 질량이 없습니다. 그 해답을 아인슈타인이 제시했는데, 그는 근본적으로 에너지와 질량은 동등하며 서로 교환이 가능하다고 가정했습니다. 그리고, 그 개념을 유명한 관계식인 E=MC2로 공식화했습니다. 몇 년 후, 아인슈타인은 그의 광전(Photoelectric) 이론으로 노벨 물리학상을 받았습니다.

엑스레이 형광은 광전자 상호 작용과 관련이 있습니다. 광전자 상호 작용이 일어날 때 전자는 공전 궤도에서 떨어지면서 공석을 만든다. 고 에너지 궤도의 전자는이 공석을 채울 수 있습니다. 두 궤도 간의 에너지 차이는 형광 X 선, 즉 2 차 X 선으로 방출됩니다. 각 요소의 형광 X 선은 특성 에너지를 가지며 특성 X 선이라고합니다.

Gilbert N. Lewis
1875 – 1946