빛의 물리학 — X선도 결국 빛의 한 종류라는 사실
물리학 · 빛의 이해 · 방사선학
책 소개
EBS 다큐프라임 〈빛의 물리학〉 제작팀이 같은 제목의 6부작 다큐멘터리를 책으로 옮긴 교양서입니다. 갈릴레오와 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인을 거치며 빛의 정체가 어떻게 밝혀졌는지를 다큐멘터리의 그림과 함께 설명합니다. 빛 하나를 길잡이 삼아 상대성 이론과 양자역학이라는 현대 물리학의 두 축으로 이어 가는 구성이라, 물리를 어려워하는 학생도 빛이 무엇인지부터 차근차근 잡을 수 있습니다. 방사선학은 X선과 감마선처럼 눈에 보이지 않는 빛을 다루는 학문이므로, 'X선은 어떻게 빛과 같은 것인가'라는 의문으로 탐구를 시작하려는 학생에게 좋은 출발점이 됩니다.
책은 빛이 전자기파라는 사실을 물리학의 역사로 풀어냅니다. 맥스웰이 전기와 자기를 하나의 방정식으로 묶으면서, 변하는 전기장이 자기장을 만들고 변하는 자기장이 다시 전기장을 만드는 과정이 공간으로 퍼져 나가는 것이 곧 빛이라는 결론에 이르렀다고 설명합니다.
이때 빛의 속도가 진공에서 약 30만 km/s로 일정하다는 점이 드러나고, 이 사실이 아인슈타인의 상대성 이론으로 이어집니다. 또한 빛이 파동처럼 간섭과 회절을 보이면서도 광전효과에서는 알갱이처럼 행동한다는 이중성도 다루어, 빛을 한 가지 모습으로만 볼 수 없다는 점을 보여 줍니다.
물리학 '빛의 이해' 단원에서는 빛을 전자기파로 보고, 그 핵심 성질로 중첩과 간섭, 빛과 물질의 이중성, 광속 불변을 배웁니다.
빛은 간섭과 회절에서는 파동처럼, 광전효과에서는 알갱이처럼 행동하는데, 이를 빛의 이중성이라고 합니다. 빛을 알갱이로 볼 때 광자 한 개의 에너지는 진동수에 비례하고, 진동수가 클수록 광자 에너지가 커집니다. 또한 빛의 속도는 진공에서 항상 일정한데, 이 광속 불변이 상대성 이론의 출발점이 됩니다.
전자기파를 파장에 따라 라디오파부터 X선·감마선까지 줄지어 나누는 전자기파 스펙트럼은 진로선택 과목 '전자기와 양자'에서 더 깊이 다루는 내용이지만, X선도 빛의 한 종류라는 점을 이해하는 데 도움이 됩니다.
병원에서 쓰는 X선은 어떻게 빛과 같은 것일까요? 물리학에서 배우는 전자기파 스펙트럼으로 그 답을 설명할 수 있습니다.
가시광선과 X선은 모두 전기장과 자기장이 함께 진동하며 퍼져 나가는 전자기파이고, 둘을 가르는 것은 오직 파장의 길이입니다. X선은 가시광선보다 파장이 수천 배 이상 짧고, 파장이 짧을수록 진동수가 커서 광자 한 개가 지니는 에너지가 훨씬 큽니다. 가시광선은 에너지가 작아 피부 표면에서 반사되거나 흡수되지만, X선은 광자 에너지가 커서 살갗을 지나 몸속까지 들어가고, 뼈처럼 밀도가 높은 부분에서만 많이 흡수됩니다. 그래서 X선이 몸을 통과한 정도가 자리마다 달라지고, 그 차이를 영상으로 잡으면 뼈와 살이 다른 밝기로 나타납니다. 즉 X선 촬영은 빛의 한 종류인 전자기파가 물질을 얼마나 통과하느냐의 차이를 이용한 것이며, 같은 원리에서 파장이 더 짧은 감마선은 핵의학 검사처럼 다른 영역에 쓰입니다.
X선 영상이 만들어지는 원리는 전자기파의 파장과 에너지의 관계에서 출발합니다. 빛을 알갱이로 볼 때 광자 한 개의 에너지는 진동수에 비례하고, 진동수는 파장이 짧을수록 커집니다.
X선은 가시광선보다 파장이 매우 짧아 광자 에너지가 크고, 이 큰 에너지 덕분에 살갗을 투과해 몸속까지 들어갑니다. 몸을 지나는 동안 X선은 조직마다 다른 비율로 흡수되는데, 칼슘이 많아 밀도가 높은 뼈는 X선을 많이 흡수해 통과량이 줄고, 밀도가 낮은 근육이나 폐는 상대적으로 많이 통과시킵니다. 검출기에 닿는 X선의 양이 자리마다 다르기 때문에, 통과량이 적은 뼈는 밝게, 통과량이 많은 연부 조직은 어둡게 나타나 몸속 구조가 영상으로 드러납니다.
같은 전자기파라도 파장이 더 짧은 감마선은 에너지가 더 커서 몸 안에 넣은 방사성 물질에서 나오는 신호를 잡는 핵의학 검사에 쓰이고, 파장이 긴 가시광선은 투과력이 약해 영상 진단에는 쓰지 못합니다. 빛의 한 종류가 파장에 따라 이렇게 쓰임이 갈린다는 점을 바탕으로, 전자기파 스펙트럼 안에서 X선과 감마선이 어디에 자리하고 왜 그 위치의 빛이 진단에 쓰이는지를 물리학의 관점에서 탐구할 수 있습니다.