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케미칼_테크/캐스트

[생활 속 원소 이야기 4] 암을 치료하고, 전기까지 생산하는 #동위원소

 

생속 원소 이야기 4번째로 여러분께 들려드릴 주제는 ‘동위원소’입니다. 원자번호가 같다면 원소는 모두 같은 것이라 생각할 수 있지만, 그 중에서도 화학적 성질이 다른 것을 바로 동위원소라 합니다. 보통 탄소의 방사성 동위원소를 측정해 유물이나 토양의 연대를 측정하는 것쯤은 알고 계실 거에요. 

 

동위원소는 암석이나 광물, 화석의 연대를 측정하는 데 쓰이기도 하지만, 방사성 동위원소는 의료와 생명과학 분야에서도 크게 활약하고 있답니다. 오늘 원소 이야기에서는 같은 듯 다른 동위원소에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소, #동위원소

 

 

동위원소(同位元素, Isotope)는 원자번호가 같아 화학적 성질은 같지만 중성자 수가 달라 질량의 수가 차이 나는 원소를 의미합니다. 원소의 화학적 성질은 양성자와 전자의 수에 의해 결정되는데, 이러한 이유로 동위 원소의 화학적인 성질은 원래 원소와 같습니다.


하지만 물리적 성질은 다릅니다. 이는 중성자의 수가 달라 질량의 차이가 발생하기 때문인데요. 따라서 동위 원소는 물리적으로는 다른 성질을 가진다고 할 수 있습니다. 

 

 

 

같은 원소인데, #물리적 성질은 다르다?

질량수에 따른 수소 이미지(출처: https://higheducationhere.com)

 

영국 옥스포드대 프레더릭 소디 교수는 1913년 특정 원소들의 경우 원자량은 다르지만 화학적으로 구별할 수도 없고 분리되지도 않는 형태로 존재한다는 것을 밝혀내고, 이를 동위원소라 명명했습니다.


원자번호가 1번인 수소는 99.9% 이상이 질량수가 1이지만, 0.015% 정도는 질량수가 2인 중소수이며, 나머지는 질량수 3인 삼중수소로 존재합니다. 천연원소 90여 종에는 약 300여종의 동위원소가 있으며, 주석(Sn)의 경우 10개의 동위원소를 가지고 있습니다.

 

 

동위원소, #부서지거나 부서지지 않거나~

 

안정 동위원소와 방사성 동위원소 이미지(출처: https://rps.nasa.gov)

 

자연에 존재하는 원소는 대부분 방사선을 내는 동위원소를 가지고 있다고 위에서 설명 드렸는데요. 원소는 시간이 지나면 저절로 부서져 다른 원소로 바뀌는 경우가 있습니다. 이 때 방사선을 방출하면서 부서지는데, 이를 ‘방사성 동위원소’라 합니다. 

 

반면에 부서지지 않는 동위원소는 ‘안정 동위원소’라 합니다. 300여 종의 원소 중 약 80개 원소만이 안정 동위원소를 가지고 있으며, 대표적으로 주석, 제논, 루테늄, 바륨, 수은 등이 있습니다.

 

 

 

방사선을 방출하는 동위원소, #방사성 동위원소

 

방사성 동위원소 이미지(출처: allusesof.com)

 

방사성 동위원소는 이렇게 자연적으로 만들어지기도 하고 인공적으로 합성되기도 합니다. 원소 종류에 따라 부서지는 방식이 다르고, 어떤 방사선을 쪼이느냐에 따라 특유의 에너지를 갖기 때문에 방사선 검출기를 이용한다면 방사성 동위원소의 종류와 양을 알 수 있습니다. 

 

이러한 방사성 동위원소는 방사선이 물질을 투과할 때 일으키는 작용이 다르다는 특성을 이용해 의학, 농학, 공학 등의 연구에 사용되고 있습니다. 

 

 

 

방사성 폐기물로 5700년 쓰는 #다이아몬드 전지 개발

 

출처: University of BRISTOL

 

방사성 폐기물은 오염물질로 폐기대상이지만, 그 안에 존재하는 방사성 동위원소는 활용할 수 있는 곳이 무궁무진합니다. 영극 브리스톨대는 탄소계 방사성 폐기물에 존재하는 방사성 동위원소 탄소 14(C-14, 반감기 약 5700년)를 이용해 수천 년간 이용할 수 있는 초장기 원자력 전지에 대해 보고한 바 있습니다. 


이 기술은 방사성 물질을 인공 다이아몬드를 통해 캡슐화하는 것인데요. 기존 전지와 비교했을 때 전력은 다소 떨어지지만, 수명의 50%를 소모하려면 5730년이 걸린다고 합니다. 연구팀은 현재 버클리 원자료 발전소 방사성 폐기물을 재활용하고 다이아몬드 전지를 만드는 것을 계획 중이라고 합니다. 


이렇게 방사성 폐기물에 존재하는 방사성 동위원소를 분리 추출하면 의료용 선원이나 우주탐사, 국방 분야 등에 활용이 가능한 것으로 기대되고 있습니다. 

 

 


생명과학부터 전기생산까지, #동위원소의 활약

 


방사성 동위원소는 CT나 PET 등 방사선 진단기구와 함암치료, 의료기구 소독 등의 의료분야와 식물의 광합성 과정을 추적하거나 다른 원소를 활용하여 DNA의 합성 및 수송 과정을 추적하는 등 생명과학 분야에서도 활용되고 있습니다. 


뿐만 아니라 방사성 동위원소가 붕괴할 때 발행하는 열은 원자력 발전에도 활용되고 있습니다. 우리 생활에서 없어서는 안 될 동위원소의 미래를 지켜봐 주세요. 

 

 

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