[6강 원자 속으로] 동위 원소와 방사능

1. 동위원소란?

 일반적으로 동위원소(isotope)는 같은 원소가 다른 크기로 존재하는 것을 말하는데, 크기에서 오는 차이 때문에 동위 원소는 서로 다른 성질을 갖게 되고 , 유용하게 이용될 수 있다. 특정 원소와 그 동위원소는 분명히 같은 원소이지만 중성자의 수가 다르다. 원소는 원자 번호, 또는 양성자 수를 통해 구별되고 숫자가 붙여지기 때문에 중성자를 얻거나 잃어도 원소 자체가 변하는 것은 아니다. 하지만 원자량이 차이가 있기 때문에 원소의 특성이 변하게 되는 것이다. 이는 전자를 얻거나 잃어서 형성된 이온과는 다른 것이다. 전자의 질량은 매우 작아 별 차이가 없기 때문이다.

 특정 원소의 각 동위원소는 원자량이 다르기 때문에, 주기율표상에 표기되는 원자량은 그 원소에 존재하는 서로 다른 동위 원소가 가지는 원자량의 평균값이다. 예를 들어, 탄소-14는 많은 사람들에게 친숙한 동위원소인데, 여기서 14는 탄소의 동위 원소가 가지고 있는 핵자의 수(양성자 수+중성자 수)를 나타낸다. 탄소의 원자 번호는 6번이며, 원자량은 12이다. 이를 통해 보면 탄소-14의 경우 일반적인 탄소보다 중성자를 2개 더 가지고 있는 것이다.

 

탄소의 동위원소. 파랑이 전자, 노랑이 양성자, 분홍이 중성자(탄소-14인 경우 일반적인 탄소보다 중성자를 2개 더 가지고 있어 원자량이 14이다.)

 같은 원소의 서로 다른 동위원소는 화학적으로 똑같지만 무거운 동위 원소들이 상대적으로 더 느리게 반응하는 경향이 있다. 동위 원소는 대부분 안정되어 있는데, 핵 속에서는 활발한 활동이 일어나고 있다. 중성자의 역할은 같은 양전하를 띤 양성자들이 서로를 밀쳐내버리지 않도록 적당히 분리시켜 핵을 안정화시키는 것에 있다. 만일 중성자의 수가 너무 많거자 적으면 핵의 안정성이 떨어져 동위원소가 자연붕괴하게 된다. 이러한 반응이 일어날 때 동위 원소는 방사성을 띠게 되며, 이를 방사성 동위원소(radioisotope)라고 한다.

 

2. 동위 원소의 쓰임새

 실험실에서 원소에 중성자를 충동시켜 새로운 동위원소를 만들어 낼 수도 있다. 동위 원소와 방사성 동위원소는 다양한 부야에 쓰인다. 안정된 상태든 아니든, 동위 원소는 쉽게 확인이 되고, 같은 원소의 다른 원자들과 구별할 수 있기 때문이다. (질량 분석을 통해) 이러한 특징 때문에 동위 원소는 화학 반응에서 이상적인 표지나 추적자로 사용되는데, 이 기술을 동위 원소 표지법(isotopic labeling)이라고 한다. 

 

3. 방사능에 대한 오해

 방사능에 관한 생각은 끔찍한 경우가 많다. 아마 방사능 피폭에 대한 두려움과 공포에서 비롯된 경우가 많은데, 방사능과 관련된 흥미로운 현상들은 일상 속에서 더 많이 발견된다. 어떤 원자들은 우리 눈앞에서 항상 붕괴되고 있는데, 이 과정은 대체로 그리 과격하지 않다.

 방사능은 원래부터 불안정한 원소들이 붕괴되는 경향을 말한다. 이 원소들이 붕괴할 때, 핵에서 입자들이 방출되면서 핵에서는 영구적인 변화가 일어나는데, 이러한 무작위적이고 자연스러운 현상을 붕괴(decay)라고 부르고, 원소는 방사성 붕괴를 한다고 말한다. 붕괴 결과 나오는 방사능은 에너지가 크지 않기 때문에 비교적 무해하다. 방사선은 우리 주위 어디에나 존재한다. 우리가 먹고 마시는 음식은 물론, 접시나 우유에서도 나오는 것이 방사선이다. 지구상의 모든 생명은 방사능에 적응하며 진화해왔다. 수천년에 걸쳐 어느 정도의 방사능은 안전하게 받아들일 수 있는 것이다.  

 

4. 방사능의 발견과 방사성 탄소연대 측정법

 방사능은 1896년에 프랑스의 물리학자 앙투안 앙리 베크렐이 처음 발견했다. 그는 실험에 쓰이는 감광성 물질이 원인 모를 빛에 의해 까맣게 변하는 현상에 의문을 가졌다. 후에 많은 과학자들이 이 현상에 대해 연구했는데, 그 중 주목할만한 람이 바로 핵물리학의 아버지 어니스트 러더퍼드이다. (알파입자 산란실험으로 원자의 오비탈 구조를 유추해낸 그 과학자 맞다.) 그는 핵이 자연적으로 붕괴될 때에, 3가지의 입자들이 방출되는 것을 관찰하고 그 입자들에 알파, 베타, 감마라는 이름을 붙였다.

 알파(alpha) 입자는 양성자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있는데, 근본적으로는 헬륨 원자이다. 알파입자는 양전하를 띠며 속력이 느리고, 너무 무거워서 종이 한장도 투과하기 힘들다. 반면에 베타(beta) 입자는 더 가볍고 더 빠르다. 질량이 양성자의 1/2000밖에 되지 않지만, 에너지가 엄청나게 많은 전자이다. 베타 입자들은 음전하를 띠고, 종이는 투과하나 알루미늄 박을 투과하지는 못한다. 감마(gamma)선은 입자와 파동 양쪽의 성질을 가지고 있다. (양자역학!?) 전하는 중성이며 두꺼운 납판을 제외한 대부분의 물질을 투과할 수 있다.

 

알파, 베타, 감마선

 방사성 동위원소가 붕괴하는 속도는 예측이 가능하다. 각 동위 원소는 고유한 반감기를 갖는데, 반감기란 원자수가 원래의 수의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 말한다. 예를 들어, 탄소의 반감기를 통해 해당 물체가 얼마나 오래되었는가를 알 수 있는 것이다.

 

방사성 탄소연대 측정법. 탄소-14의 반감기 5730년을 활용하면 6만년 전까지 연대를 측정할 수 있다고 한다. (얼마까지 측정할 수 있느냐는 자료마다 차이가 있다.)

 * 5730년 전에 죽은 생물체는 살아있는 생물체에 비해 방사성 탄소(탄소-14)의 양이 반밖에 되지 않는다! 즉, 잔존하는 탄소-14의 양을 측정해보면 그 생물체가 죽은 시점을 알 수 있다는 사실.