<사진출처: 한국수력원자력 블로그>
동위원소(Isotope)라고 들어보셨나요?
같은 원소이지만 중성자의 수가 달라 무게가 다른 원소들을 동위원소라고 합니다. 중성자수가 많을수록 원소도 무거워지는데 우리가 많이 먹으면 몸무게가 늘어나는 것과 동일합니다. 동위원소는 서로 무게는 다르지만, 화학적 성질은 같습니다. 이는 화학적 성질을 결정하는 양성자와 전자의 수가 같기 때문이죠. 양성자수는 같고 중성자수는 다른, 그래서 성질이 같지만 무게는 다른 동위원소. 어렵지 않죠?
* 원소
일정한 원자번호를 갖는 불변의 단순물질로서 다른 물질로 분해되거나 변환 또는 합성될 수 없다. 두 개 이상의 원소가 서로 결합하여 화합물을 만들고 무게가 일정한 부분이 결합을 한다.
<출처: 네이버 지식백과>
즉 원자번호(양성자의 수)는 같지만 질량수(양성자+중성자)가 다른 원소를 동위원소라고 합니다. 동위원소(Isotope)는 isos(같은)와 topos(장소)의 합성어로, 1901년 화학자 F. 소디가 이 명칭을 붙이고, 개념을 확립시키면서 널리 알려졌습니다.
<사진출처: 영광원전환경안전감시센터>
예를 들어, 수소에는 동위원소가 3개 존재하는데요. 양성자와 전자의 수는 같지만 중성자 수가 모두 다른 거 보이시나요?
* 동위원소 존재비
수소 : H-1(99.985%), H-2(0.015%), H-3(방사성 동위원소로 천연으론 존재하지 않음)
헬륨 : He-3(0.00014%), He-4(99.99986%)
동위원소에는 안정 동위원소와 방사성 동위원소가 있습니다.
안정 동위원소는 방사능을 가지지 않는 동위원소로, 방사성 붕괴에 의해 다른 원소로 변화하지 않습니다. 말 그대로 안정한 동위원소이지요. 안정상태이기 때문에 굳이 다른 원소로 바뀌지 않으며 대표적인 예로 탄소는 12C, 13C, 산소는 16O, 17O, 18O 수소는 1H, 2H(D) 등이 있습니다.
이와 달리 방사성 붕괴를 거쳐 방사선을 방출하는 동위원소를 방사성 동위원소라고 합니다. 안정 동위원소보다 상대적으로 불안정한 상태이기 때문에 안정한 원소가 되고 싶어하죠. 그래서 방사성 동위원소는 안정한 원소로 바뀌는 과정에서 방사선을 방출하는 것입니다.
방사선의 종류에는 알파선, 베타선, 감마선이 있는데 병원에서 많이 쓰이고 있는 X-ray도 방사선의 한 종류입니다. 방사선은 해로운 세포를 죽이거나, 사진촬영 등의 검사나 치료에 많이 쓰이고 있습니다.
이 방사성 동위원소는 천연 방사성 동위원소와 인공 방사성 동위원소로 나뉘어지는데, 인공 방사성 동위원소가 거의 대부분이라고 합니다.
천연 방사성 동위원소는 고대 유물이나, 암석의 연대를 측정하는데 많이 이용됩니다. 바로 반감기를 이용해서죠. 고등학교 때 수학에서 반감기를 이용해 연도를 계산하는 문제들 기억나시나요? 반감기란 원자수가 원래의 반으로 줄어드는 시간을 말합니다. 반감기는 원소마다 고유값을 지니는데, 신생 원소든 오래된 원소든 똑같은 반감기를 가진답니다.
인공 방사성 동위원소는 주로 암 치료와 같은 의학적 용도나 비파괴검사 등의 목적으로 많이 이용되고 있습니다. 방사성 동위원소는 아주 미량이 존재해도 쉽게 검출할 수 있는 방사선을 방출하여 이것을 기준으로 물질의 이동을 추적할 수 있는데요, 이를 이용하는 것이지요.
방사성 동위원소를 인체에 주입하고 어디서 방사선 물질이 나오는지 추적하면 이 물질이 어떻게 움직이는지 알 수 있어 암세포가 어디로 얼마나 전이되었는지 그 경로를 알 수 있습니다. 몸을 열어보지 않고 암세포 전이를 어떻게 아나 했더니, 여기에 비밀이 숨어있었네요.
특히, 방사성 동위원소 중 테크네튬99는 약한 에너지의 감마선을 방출하기 때문에 인체에 큰 영향을 끼치지 않아 인체에 주입해 질병을 진단하는 데에 유용합니다. 테크네튬99를 인체에 주입하고 감마선을 추적하면 이 물질이 어디로 이동하고 있는지를 알아내 질병을 진단할 수 있습니다.
<사진출처: 한국원자력문화재단>
인공 방사성 동위원소는 의료산업뿐만 아니라, 공업, 농업, 식품, 토목 등 여러 분야에서 활용되고 있습니다. 농산물과 방사성 동위원소와의 반응을 통해서 잔류 농약검사를 하고, 스테인리스 생산공정에서 방사성 동위원소를 장착한 기계를 이용해 철판의 두께를 정확하고 일정하게 측정하여 제어하기도 합니다.
핵실험도 환경오염 문제로 따가운 시선을 받고 있지만 한편으로는 핵실험을 통해 인공 방사성 원소를 생성하여 과학연구 실험에 이용하고 있기도 합니다.
다양한 기술과의 융합을 통해 부가가치를 창조하는 첨단융합기술산업으로 발전하고 있는 방사성 동위원소! 그러나 방사성 동위원소의 이용은 방사선에 의한 장애를 최소한으로 줄이기 위하여 법률로 그 취급법이 엄중히 규제되고 있습니다. 면허를 가진 사람만이 취급할 수 있도록 하여 국가기술자격검정에 합격해야만 직무수행을 할 수 있습니다.
국가에서 허락한 자만이 취급할 수 있는 방사성 동위원소. 전문가가 안전하게 다룰 때 놀라운 과학기술의 혁신을 이룰 수 있겠지요? 앞으로 방사성 동위원소의 더 큰 활약을 기대해봅니다.
* 자료출처
- 한국원자력문화재단 www.konepa.or.kr
- 네이버 지식백과