X선은 눈에 보이지 않는 빛의 한 종류로, 가시광선보다 에너지가 훨씬 크고 파장이 훨씬 짧다. 이 사이트는 파장이 0.5나노미터(500피코미터)인 X선을 보여 주는데, 이는 X선 범위 안쪽에 충분히 들어간다. 파장은 파동의 한 마루에서 다음 마루까지의 거리이고, 1나노미터는 10억분의 1미터이다.

파장

NASA는 X선의 파장을 0.03~3나노미터 사이로 제시한다. 긴 쪽 끝에서 X선은 자외선과 맞닿고, 짧은 쪽 끝에서는 감마선과 맞닿는다.

자료마다 이 경계를 긋는 곳이 다르다. NASA의 다른 페이지는 X선을 파장 대신 에너지로 정의하는데, 이를 파장으로 환산하면 약 0.012~12나노미터가 된다. 이 사이트의 0.5나노미터는 두 범위 모두에 들어간다.

과학자들은 보통 X선을 파장보다 에너지로 설명하는데, 파장이 매우 작은 것도 한 가지 이유이다. 빛은 광자라는 작은 에너지 덩어리로 이동한다. 파장이 짧을수록 광자 하나가 지니는 에너지가 크다. X선은 가시광선을 흡수하는 많은 물질을 통과할 수 있다.

크기 비교

0.5나노미터의 파장은 가장 큰 원자 중 하나인 세슘 원자의 지름과 거의 같다.
눈에 보이는 빛 중 파장이 가장 짧은 보라색 빛은 파장이 약 400나노미터로, 이 X선 파장의 800배이다.
이 파장 약 16만~20만 개를 이어 놓으면 굵기가 0.08~0.1밀리미터인 사람 머리카락 한 가닥을 가로지른다.
이 X선의 광자 하나가 지니는 에너지는 파장이 500나노미터인 가시광선 광자 하나의 1,000배이다.

X선이 발견된 과정

빌헬름 뢴트겐은 1895년에 X선을 발견했다. 그는 희박한 기체가 든 유리관에 전기를 흘리고 있었고, 이 유리관은 덮개로 가려 둔 상태였다. 근처에 있던 빛에 민감한 스크린에 희미한 빛이 나타났는데, 덮개를 통과할 수 있는 새로운 종류의 방사선이 원인이었다. 뢴트겐은 1901년 노벨 물리학상을 받았다.

뢴트겐은 손과 팔을 통과한 X선이 안쪽 뼈의 자세한 모습을 담은 사진을 만든다는 것을 알아냈다. 뼈는 밀도가 높아 피부보다 X선을 더 많이 흡수한다. 그래서 X선 필름에서 뼈는 그림자를 남기고 피부는 거의 투명하게 보인다.

X선이 원자의 위치를 알려 주는 방법

파동이 작고 촘촘한 간격의 틈을 지나면 회절 무늬라는 무늬가 생긴다. 1912년 막스 폰 라우에는 결정 속에 규칙적으로 늘어선 원자의 줄이 X선에 대해서도 같은 작용을 할 것이라고 제안했다. 실험으로 그의 생각이 옳다는 것이 입증되었고, X선이 파동처럼 행동한다는 것도 밝혀졌다. 그는 1914년 노벨 물리학상을 받았다.

그 뒤 윌리엄 브래그와 아들 로런스 브래그는 X선의 파장과 각도가 원자층 사이의 간격과 어떤 관계인지 알아냈다. 덕분에 결정 속 원자가 어디에 있는지 계산할 수 있게 되었다. 브래그 부자는 1915년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

X선 망원경이 우주에 있는 이유

지구 대기는 X선을 흡수하므로, X선 망원경은 대기 위에서 작동해야 한다. X선은 정면으로 부딪히는 거울에서는 튕겨 나오지 않기 때문에, 이런 망원경은 X선이 얕은 각도로 닿는 거울을 쓴다. NASA의 찬드라 X선 관측선은 약 0.12~12나노미터의 파장을 감지하며, 여기에 0.5나노미터도 포함된다. 우주에서 X선은 수백만 도로 뜨거운 천체, 이를테면 블랙홀 주위의 가스 원반에서 나온다.

출처

X-Rays. NASA Science.
Electromagnetic Spectrum – Introduction. NASA Imagine the Universe.
Electromagnetic Spectrum. NASA Imagine the Universe.
Overview of the Chandra X-Ray Observatory Facility. Weisskopf and Six, NASA, 2002.
Wilhelm Conrad Röntgen: Facts. Nobel Prize Outreach.
Max von Laue: Facts. Nobel Prize Outreach.
Lawrence Bragg: Facts. Nobel Prize Outreach.
Planck constant in eV/Hz. NIST CODATA.
Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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