1. 개요
放 射 性 同 位 元 素 / radioactive isotope / radioisotope,비슷한 용어로, 방사성 핵종(放射性 核 種, radionuclide).
방사선을 방출하며 안정된 것으로 붕괴하는 동위원소를 말한다. 원자핵 속의 양성자와 중성자는 강한 핵력에 의하여 결합되어 있으며 동시에 양성자들은 서로 전기적 반발력을 작용하고 있다. 대부분의 핵자들은 전기적 반발력보다 더 큰 핵력에 의하여 안정한 상태를 유지하고 있다. 그러나 양성자가 아주 많은 원자핵의 경우에는 양성자들 사이의 전기적 반발력이 크고, 핵자의 수가 많으므로 그들 사이의 거리가 멀어져 서로 끌어당기는 핵력은 상대적으로 작아지기 때문에 불안정한 상태가 된다.
질량수가 많은 원자핵들은 불안정하므로 입자나 전자기파를 방출하고 보다 안정한 원자핵이 되려고 한다. 이와 같이 원자핵이 불안정한 원소를 방사성 원소라고 한다. 과도한 에너지를 가진 불안정한 원자핵으로 구성되었기 때문에, 방사선의 형태로 에너지를 내놓으면서 안정된 형태로 변한다. 이러한 방사성 붕괴에서 방출되는 방사선은 감마선 같은 전자기파나, 알파선 같은 입자의 흐름이다. 이들은 모두 이온화 방사선(ionizing radiation)인데, 쉽게 말해 위험한 방사선이다.
2. 종류
방사성 동위원소의 수는 정확히는 알려지지 않았다. 반감기가 극히 짧아서 금방 없어져 버려서 아직 분류 안 된 것들이 많기 때문이다. 그리고 반감기가 긴 것도 정확한 수가 알려지지 않았다. 왜냐하면 많은 비방사성 동위원소(안정 핵종)도 워낙 긴 반감기 때문에 실험적으로 붕괴가 관찰되지 않은 것일 뿐, 사실은 방사성 동위원소일 것으로 예측되기 때문이다.알려진 바로는, 이론적으로 안정함이 밝혀진 90종의 핵종[1]과 실험을 통해 안정한 것으로 예상하는 164종의 핵종이 있으므로 안정 동위 원소는 254종이다. 방사성 동위원소는 꽤 많아서, 인공적으로 생성된 것까지 모두 합치면 약 3,000여 종이 있다. 이 중에서 반감기가 60분이 넘는 비교적 안정한 종은 약 650종이며, 이 중 339종은 자연에서도 생성되는 것이다.
원자 번호가 82번보다 작은 원소는 테크네튬과 프로메튬 같은 예외를 제외하면 최소 1개 이상의 안정 방사성 동위원소를 가지고 있으며, 82번보다 큰 원소는 안정 방사성 동위원소가 하나도 없다.[2] 곧 83번 비스무트[3]부터의 원소들은 모두 방사선을 방출하는 물질이라고 생각하면 된다. 참고로 원자 번호 82번은 납. 고로 납은 넵투늄 붕괴 사슬[4]을 제외하면 모든 방사성 붕괴의 종착점이 된다. 원자번호가 낮은 테크네튬과 프로메튬은 양성자와 중성자를 안정적으로 배열할 적절한 방법이 존재하지 않기 때문에 자연계에 극히 드물게 존재하는 원소가 되었다.
2.1. 붕괴 사슬
무거운 방사성 동위 원소가 안정한 원소로 붕괴하기 위해 거쳐가는 원소들을 총칭해 붕괴 사슬이라 한다. 사슬은 총 4개로, 각 사슬은 다음과 같다.- 토륨(질량수 4n)[5]: 232Th -(α)> 228Ra[6] -(β-)> 228Ac -(α/β-)> 224/228Fr/Th -(β-/α)> 224Ra -(α)> 220Rn[7] -(α)> 216Po -(α)> 212Pb -(β-)> 212Bi -(α/β-)> 212/208Po/Tl -(β-/α)> 208Pb
- 넵투늄(질량수 4n+1)[8]: 237Np -(α)> 233Pa -(β-)> 233U -(α)> 229Th -(α)> 225Ra -(β-)> 225Ac -(α)> 221Fr -(α)> 217At -> 213Bi -(α/β-)> 209, 213Tl/Po -(β-/α)> 209Pb -> 209Bi -> 205Tl
- 우라늄(질량수 4n+2)[9]: 238U -(α)> 234Th -(β-)> 234mPa -(IT/β-)> (234Pa) -(β-)> 234U -(α)> 230Th -(α)> 226Ra -(α)> 222Rn -(α/β-)> 218Po -(α/β-)> 214/218Pb/At -(β-/α)> 214Bi -(α/β-)> 210/214Tl/Po -(β-/α)> 210Pb -(α/β-)> 206/210Hg/Bi -(β-/α)> (206Hg) 206Tl, (210Bi) 206/210Tl/Po -(Tl:β-/α)> 206Pb
- 우라늄(질량수 4n+3)[10]: 235U -(α)> 231Th -(β-)> 231Pa -(α)> 227Ac -(α/β-)> 223/227Fr/Th -(α/β-)> (프랑슘만) 219At -(α)> 215Bi -(β-)> 215Po, (토륨과 공유) 223Ra -(α)> 219Rn -(α)> 215Po -(α/β-)> 211/215Pb/At -(β-/α)> 211Bi -(α/β-)> 207/211Tl/Po -(β-/α)> 207Pb
3. 생성 방법
방사성 동위원소는 천연 방사성 동위원소와 인공 방사성 동위원소의 두 가지로 나눌 수 있다. 이 중 자연에서 발견되는 천연 방사성 동위원소에는 다시 세 가지 종류가 있다. 지구가 생성할 때부터 원래 존재해 온 동위원소, 그것이 붕괴해서 생긴 동위원소, 그리고 우주 방사선에 의해 새로 생겨나는 동위원소가 그것들이다. 인공적으로 생성된 동위원소는 원자로나 입자가속기에 의해 생성된다. 원자로에서는 그 안에서 돌아다니는 중성자가 물질에 충돌해서 생겨나고, 사이클로트론 같은 입자 가속기에서는 가속된 입자가 물질에 충돌해서 방사성 동위원소가 생성된다.4. 용도
방사성 동위원소는 추적용 물질로 사용하는 것과 방사선의 원천으로 사용하는 것의 두 가지 용도로 쓰인다. 방사성 동위원소는 일반 원소와 화학적으로 거의 동일하기도 해서 화학적으로나 생물학적으로나 동일하게 반응하고, 따라서 방사능을 띤 동위원소를 추적하면 그 원소가 어디로 어떻게 반응했는지 추적할 수 있다.의학에서는 방사성 동위원소가 진단, 치료, 연구용으로 사용된다. 감마선이나 양전자를 방출하는 추적용 방사능 물질은 인체 내부 장기에 관해 진단용 정보를 얻는 데 쓰인다. PET 스캔 같은 의료용 단층촬영에도 사용된다. 진단 말고 치료에도 쓰이는 경우, 특정 종류의 종양 치료에 사용된다.
식품 보존을 위해서 감자나 곡물 등에 방사선을 쬐서 싹이 나지 않도록 하는 경우도 쓰이기도 한다. 기생충이나 해충을 죽이는 경우도 쓰인다.
용접 부위를 검사하고 누수를 탐지하며, 마모 속도를 측정하는 비파괴검사에도 사용된다. 그리고 오염물질의 추적에 쓰이고 강물이나 지하수의 흐름을 측정하는 경우도 사용된다. 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소는 연대측정법에 사용된다.
오늘날의 정의법으로 1초는 방사성 동위원소 중 하나인 세슘-133에서 방출된 빛이 정확히 9,192,631,770번 진동하는 그 순간으로 정의된다.
5. 관련 문서
[1]
보통 92
Zr까지를 이론적으로 안정한 핵종으로 보고, 93
Nb부터는 실험을 통해 안정한 것으로 예상되는 핵종으로 본다.
[2]
이론적으로는 66번디스프로슘 이후다.
[3]
가장 안정된 비스무트-209의 반감기는 약 2.01X10^19년, 즉 약 2010경 년이다. 물리학에서는 불안정 동위체이지만 화학에서는 안정동위체로 취급한다. 화학에서는 루테튬-176(반감기 3.78*1010년)부터 안정 동위체로 취급하고 관리한다.
[4]
납 대신
탈륨에서 끝난다. 그러나 탈륨직전에 있는 비스무트-209가 매우 안정적이므로 사실상 비스무트에서 끝난다고 봐도 된다.
[5]
기존에는 252
Cf이나 248
Cm, 244
Pu서 시작했지만 232Th 위로는 244Pu 빼고 전멸했다.
[6]
메소토륨이라고도 부른다.
[7]
토론이라고도 부른다.
[8]
기존에는 241
Am에서 시작했지만 이쪽은 아예 거의 끄트머리인 209Bi 위로 전멸해버렸다.
[9]
기존에는 250Cf에서는시작했으나 현재는 238U 위로는 전멸했다.
[10]
이쪽은 악티늄 계열이라고도 한다. 기존에는 251Cf, 247Cm, 243Am에서 시작했지만 현재는 235U 위로는 전멸해버렸다.