[방사선관리기술사 기출문제] 2024년도 3교시 5번

# 방사성 세슘 개요 🌊

최근 일본 후쿠시마현 앞바다에서 잡힌 우럭에서 기준치의 5배를 초과하는 방사성 세슘이 검출되었습니다. 이는 2019년 2월 이후 2년 만에 발생한 사건으로, 후쿠시마 앞바다에서 잡힌 수산물에서 일본 정부 기준을 초과한 방사성 물질이 발견된 것입니다. 방사성 세슘은 방사선 치료(암 치료), 석유 시추, 산업용 계측기 등에서 유용하게 사용되지만, 철저한 안전 관리가 필요합니다. ⚠️

## 세슘의 자연적 존재 🌍

자연에 존재하는 세슘은 방사선 방출이 없는 안정동위원소인 세슘-133입니다. 세슘-133은 원자번호 55, 원소기호 Cs를 가지며, 알칼리 금속으로 녹는점이 28.5℃로 체온에서도 녹을 수 있습니다. 반면, 방사성 세슘인 세슘-137은 원자 핵분열로 인해 생성됩니다.

## 세슘-137의 위험성 ☢️

세슘-137의 방사능 세기가 절반으로 줄어드는 데 약 30년이 걸리며, 베타(β)선을 방출한 후 준안정상태의 바륨(Ba-137m)으로 전환된 후 감마(γ)선을 방출하며 안정된 바륨(Ba-137)으로 전환됩니다. 이 과정에서 방출되는 감마선이 위험하므로 주의가 필요합니다.

## 방사선의 종류와 특성 🔬

방사선은 불안정한 상태의 원자가 특정한 입자나 빛을 방출하면서 안정적인 원자핵으로 바뀌려는 성질을 가진 에너지의 흐름입니다. 감마선은 파장이 짧은 전자파로 투과력이 가장 강하며, 납이나 콘크리트로 차단할 수 있습니다. 베타선은 알파선에 비해 다소 투과력이 강하며, 의료기기 생산 시 기기 소독 및 섬유 두께 측정 등에 사용됩니다.

## 세슘-137의 인체 영향 🏥

세슘-137에 오염된 식품이나 물이 인체에 과도하게 들어올 경우 악영향을 미칠 수 있습니다. 인체 안으로 들어온 세슘-137은 신체 조직 내에 골고루 퍼지며, 주로 근육에 분포합니다. 과다 섭취한 경우, 프러시안블루(감청색의 합성 염료) 1g을 물과 함께 복용하면 장내 흡수를 막아 체외로 배출할 수 있습니다.

## 세슘-137의 반감기 ⏳

세슘-137의 물리적 반감기는 30년이며, 생물학적 반감기는 109일입니다. 유효 반감기는 물리적 반감기와 생물학적 반감기를 모두 고려하여 실제 영향을 나타내며, 보통 물리적 반감기와 생물학적 반감기보다 짧습니다.

## 세슘-137의 활용 ⚙️

세슘-137은 식품, 하수 슬러지, 수술 도구의 멸균 및 수분, 밀도, 수평, 두께 등을 측정하는 장치에서 사용됩니다. 과거에는 세슘-137로 만든 염화세슘이 포함된 의료기기가 말기 암환자 치료에 사용되었으나, 현재는 위험성 때문에 거의 사용되지 않습니다. 또한, 석유 시추 시 드릴 날의 윤활제로도 널리 사용됩니다.

## 한국의 방사성 세슘 안전 대책 🇰🇷

한국은 국제 기준보다 10배 강화된 식품 내 방사능 허용치를 운영하고 있으며, 일본 후쿠시마현 수산물에 대해 수입 금지 조치를 시행하고 있습니다. 2011년 3월 11일 원전 사고 직후부터 후쿠시마 인근 8개 현의 수산물에 대해 수입 금지 조치가 시행되었고, 일본산 식품은 모든 식품에 대해 통관 시마다 방사능 검사를 실시하고 있습니다.

## 세슘-133과 원자시계 ⏰

세슘-133은 자연에 존재하는 세슘 중 대부분을 차지하며, 세슘 원자시계를 만드는 데 사용됩니다. 세슘-133 고유의 전자파를 기준으로 제작된 세슘 원자시계는 1957년 국제표준시계로 채택되었으며, 한국의 세슘 원자시계는 3,000만 년에 1초의 오차가 생길 정도로 높은 정확도를 보입니다.

## 방폐물 관리와 세슘-137 ♻️

방폐물은 모든 핵종의 방사능과 열을 고려하여 안전성 평가를 진행하며, 방사성 폐기물에는 세슘-137 등 다양한 핵분열 생성물이 포함되어 있습니다. 이를 철저히 안전 관리하고 있으며, 위험도를 고려하여 안전하면서도 효율적으로 처분하는 방법을 모색하고 있습니다.

방사성 세슘에 대한 이해와 안전 관리가 중요합니다. 항상 주의하고 안전한 생활을 유지하세요! 😊

---

# Cs-137 감마 스펙트럼의 물리학 🌌

안녕하세요! 오늘은 세슘-137(137Cs)의 감마 스펙트럼과 관련된 흥미로운 물리학 현상에 대해 알아보겠습니다. 베타 붕괴는 기본 물리학의 풍부함을 보여주는 매혹적인 현상 중 하나입니다. 😃

## 세슘-137의 특성 🔬

세슘-137은 불안정한 원소로, 반감기는 약 30.17년입니다. 이 원소는 β-입자를 방출하며 붕괴하는데, 이 과정에서 0.512 MeV의 에너지를 가진 β-입자가 방출됩니다. 흥미롭게도, 94.6%의 경우 137Cs는 메타 안정 상태의 바륨(137mBa)로 변환됩니다.

출처: https://maximus.energy/index.php/2020/10/24/the-rich-physics-of-cs-137-gamma-spectrum/

### 137Cs 붕괴 모드

137Cs의 붕괴는 두 가지 주요 경로로 나뉩니다:

1. **메타 안정 상태로의 붕괴**: 85.1%의 경우, 137Cs는 137mBa로 붕괴하고 661.7 keV의 감마선을 방출합니다.
2. **직접적인 붕괴**: 5.4%의 경우, 137Cs는 1.174 MeV의 β-입자를 방출하며, 이 경우 감마선은 방출되지 않습니다.

## 베타 스펙트럼 분석 📊

베타 스펙트럼은 두 가지 뚜렷한 특징을 가지고 있습니다:

1. **넓은 피크**: 137Cs → 137mBa의 주요 붕괴 모드에 해당하며, 피크 에너지는 512 keV입니다.
2. **좁은 피크**: 661.7 keV의 에너지를 가진 바륨-137의 내부 전자 변환에 해당하며, 이는 K-껍질 전자가 방출되는 과정입니다.

## 감마 스펙트럼의 특징 🌈

출처: https://maximus.energy/index.php/2020/10/24/the-rich-physics-of-cs-137-gamma-spectrum/

- **661.7 keV 피크**: 바륨-137이 기저 상태로 이완할 때 방출됩니다.
- **32 keV 피크**: 바륨-137이 내부 변환 과정에서 전자를 잃을 때 방출됩니다.
- **콤프턴 선반**: 32 keV에서 480 keV까지의 연속체로, 감마선의 산란으로 인해 발생합니다.

## 콤프턴 선반과 피크 📉

콤프턴 선반은 감마선의 산란과 흡수 과정에서 발생하며, 661.7 keV 감마선의 일부만이 검출기에 완전한 에너지를 전달합니다. 콤프턴 피크는 180 keV에서 나타나며, 이는 감마선이 밀집된 물질에서 반사되어 검출기에 다시 들어오는 경우 발생합니다. 피크의 높이는 방사성 물질의 정확한 측정을 위해 매우 중요합니다.

## 콤프턴 억제 기술 🛡️

콤프턴 산란은 두 가지 이유로 기생 효과로 간주됩니다:

1. **피크 높이 감소**: 콤프턴 산란은 피크의 높이를 줄입니다.
2. **배경과의 혼합**: 콤프턴 산란은 배경과 혼합되어 피크 높이를 더욱 감소시킵니다.

콤프턴 억제 기술은 주로 다른 신틸레이터 물질로 검출기를 둘러싸고, 주 검출기와 신틸레이터 간의 우연한 일치를 찾는 방식으로 이루어집니다.

## BGO의 역할 💎

출처 : https://images.app.goo.gl/RTHq4VkNu6xCz4p17

**BGO(비스무스 독일산화물)**는 콤프턴 연속체의 크기를 줄이는 데 효과적입니다. BGO는 고밀도 물질로, NaI보다 콤프턴 산란이 덜 발생하여 피크가 더 높게 나타납니다. 그러나 BGO의 에너지 해상도는 약 10% FWHM @ 662 keV로, NaI에 비해 좋지 않습니다.

## 결론 및 향후 연구 🔍

137Cs 감마 스펙트럼 뒤에는 전체 물리학 교과서가 숨겨져 있습니다. 베타 붕괴는 여전히 완전히 이해되지 않은 현상으로, 흥미로운 새로운 물리학을 발견할 수 있는 가능성을 내포하고 있습니다. 앞으로의 연구가 기대됩니다! 🌟

감사합니다! 😊

---

풀이)

결론적으로  32 keV 피크는 Ba-137m이 내부 변환 과정에서 전자를 잃을 때 방출됩니다.

출처: iaea isotope browser

엑스선 부분만 발췌해서 아래에서 보면요~

출처: iaea isotope browser

3.87% 확률로 32 keV 감마선이 Ba-137m 에서 내부전환으로 방출된다.