방사능을 눈으로 보다: 섬광의 바다

원자는 정말 작습니다. 그래서 개별 원자를 직접 관찰하는 건 원칙적으로 불가능한데요. 원자의 크기가 빛의 파장보다 수천 배 더 작거든요.

그렇다면 원자가 뭔가 하는 모습을 볼 수는 없을까요? 많은 화학 반응이 빛을 내긴 하지만, 단일 원자 수준에서는 밝기가 너무 약합니다. 하지만 핵반응은 어떨까요?

우라늄 같은 무거운 원소들은 헬륨 핵(알파 입자)을 방출하면서 붕괴됩니다. 이 알파 입자는 약 1피코줄의 운동 에너지를 가지고 날아오는데, 이 정도면 육안으로 관찰 가능한 섬광을 만들 수 있습니다.

실험 준비물

저는 연기 감지기에서 추출한 37kBq의 아메리슘을 알파 입자의 방사선원으로 사용했습니다. 오래된 라듐 페인트나 우라늄 광석도 좋은 대안이 될 수 있습니다. 소량의 방사성 물질이라도 삼키면 위험하므로, 독성 화학물처럼 조심스럽게 다루어야 합니다.

입자의 에너지를 빛으로 변환하기 위해 낡은 알파 탐지기에서 나온 플라스틱 판을 사용했습니다. 표면에 황화아연(zinc sulfide)의 하얀 코팅이 되어 있는데, 입자가 충돌하면 여기서 빛이 납니다. 돋보기는 이 빛을 눈의 동공으로 집중시키는 데 중요한 역할을 합니다. 왜냐하면 알파 입자 하나가 만드는 광자는 수천 개 정도에 불과하거든요.

관찰해보기

알파 선원을 섬광 스크린에서 몇 밀리미터 떨어진 곳에 놓고 불을 꺼줍니다. 빛이 매우 약하기 때문에 눈을 완전히 어둡게 적응시키는 데 수 분 걸립니다.

시간이 지나면 방사선원 주변에서 희미한 빛이 보입니다. 돋보기로 확대하면 이 빛이 수천 개의 짧은 섬광으로 분해되어 보입니다. 마치 소용돌이치는 불꽃의 바다처럼요. 각각의 "섬광"은 단 하나의 원자가 방출한 에너지로 만들어진 빛입니다.

관찰 팁

완전한 어암적응에는 20분 이상 걸리지만, 보통 5분 정도면 섬광이 보입니다. 주변시 기법을 써보세요. 방사선원을 직접 보지 말고 옆에서 보면 망막의 주변부에 있는 간상세포가 더 민감하게 반응합니다. 천문학에서도 자주 쓰는 기법이죠.

약한 선원의 경우 전체적인 빛이 보이지 않을 수 있습니다. 그럴 땐 곧바로 돋보기로 확대해보세요.

알파 입자는 공기 중에서 수 센티미터만 이동할 수 있고, 매 밀리미터마다 에너지를 잃습니다. 따라서 선원이 섬광 물질에 충분히 가까워야 섬광을 볼 수 있습니다.

섬광 스크린은 보통 한쪽 면만 황화아연으로 코팅되어 있습니다. 무광(matte) 표면이 알파 입자에 반응하므로 그 쪽이 선원을 향하도록 해야 합니다.

더 간단한 방법

이 현상은 촬영이 불가능합니다. 직접 경험해야만 볼 수 있거든요.

어두운 방에서 세 가지를 다루는 게 번거롭다면, 약 60달러에 구매할 수 있는 미리 조립된 섬광계수기(spinthariscope)를 사용해도 좋습니다.