라돈

라돈은 원자번호 86번인 기체 원소로, 비활성 기체족에 속하는 방사성 기체이다. 다른 비활성 기체들처럼 반응성이 매우 낮고, 자체의 색이나 냄새가 없는 기체이다. 라돈은 약 3.82일의 반감기를 가지는 방사성 원소이기 때문에 미국 환경보호국(EPA)에서 라돈 기체의 흡입을 흡연 다음의 폐암 요인으로 경고하고 있다. 과거에는 암 치료 등의 방사선을 이용한 치료와 가스 누출 탐지 등에 라돈을 이용하였으나, 그 위험성 때문에 현재는 이용하고 있지 않다.

라돈, Radon()

목차

라돈은 1899년 마리 퀴리, 피에르 퀴리 부부가 발견한 라듐(radium, Ra)에서 발생하는 방사성 기체로 처음 발견되었다. 같은 해에 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871-1937)와 오언스(Robert Bowie Owens, 1870~1937)는 토륨(Th) 산화물에서 방사성 기체가 나오며, 수 분 정도 지속하는 것을 확인하였다. 러더퍼드는 이 기체를 토륨에서 발산되는 기체라는 뜻으로 ‘발산물’을 뜻하는 ‘에마나티온(emanation)을 첨가하여 ‘토륨 에마나티온(thorium emanation: Th Em)’이라고 명명하였다. 1년 후 독일 물리학자 도른(Friedrich Ernest Dorn, 1848-1916)은 라듐 화합물을 포함하는 용기에 방사성 기체가 모이는 것을 보고 라듐에서의 발산물이라는 뜻의 ‘라듐 에마나티온(radium emanation: Ra Em)이라고 명명하였다. 3년 후 드비에르느(Andre-Louis Devierne, 1874-1949)가 악티늄에서 나오는 방사성 기체를 발견하고, ‘악티늄 에마나티온(actinium emanation: Ac Em)이라고 명명하였다. 1918년에는 이 세 가지 방사성 기체들에 원천이 되는 원소 이름에 비활성 기체의 접미어 ‘on’을 붙여 토론(thoron), 라돈(radon), 악톤(acton)이라고 제안하였고, 악톤의 경우 이름이 악티온(action)으로 고쳐져서, 1923년 국제순수응용화학연합(IUPAC)은 이들 각각의 이름과 원소 기호를 토론(Tn), 라돈(Rn), 악티온(An)으로 채택하였다. 하지만 실제로 토론, 라돈, 악티온은 라돈의 각기 다른 동위원소들로써, 당시에 동위원소에 대한 개념이 완전히 확립되지 않아서 지정된 이름이다. 나중에 이 세 가지 방사성 기체 중 가장 안정한 동위원소의 이름을 따라 라돈(Rn)으로 통일되고, 토론(Tn)은 ²²⁰Rn, 악티온(An)은 ²¹⁹Rn으로 정정되었다.

라돈의 방출 스펙트럼()

라돈은 영국의 과학자 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871-1937)가 알파 입자의 정체를 밝히는 데 중요하게 사용되었다. 1899년에 알파 입자를 발견하고 명명했던 러더포드는 알파 입자의 투과력도 조사했다. 그러나 약 10년 동안 알파 입자의 정체에 대해서는 알지 못했다. 러더포드는 노벨화학상을 받은 1908년에 알파 입자의 정체를 밝히고, 수상 강연에서 그 과정을 소개했다. 라돈은 알파 입자를 방출하면서 폴로늄으로 바뀐다. 러더포드는 알파 입자를 통과시킬 정도의 아주 얇은 유리로 만든 튜브를 라돈으로 채우고 밀봉한 다음, 그 튜브를 보다 크고 두꺼운 유리 튜브에 집어넣은 후 다시 밀봉했다. 그리고 며칠 동안 안쪽 튜브의 벽을 통과한 알파 입자가 두 유리 벽 사이에 모이게 하고 전기 방전을 시킨 후 스펙트럼을 조사했더니 과거에 태양의 스펙트럼에서 관찰된 적이 있는 헬륨의 선스펙트럼이 나타났다. 러더포드는 수상 강연에서 방사능 붕괴에서 헬륨이 알파 입자로 방출된다면 가벼운 원소로부터 무거운 원소들이 합성되는 과정에서 헬륨이 단위로 작용하지 않을까 언급했다. 나중에 밝혀진 대로 적색 거성에서 알파 입자는 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 실리콘 등을 거쳐 철까지 짝수 번호의 원소들이 생성되는 과정에서 핵심적인 역할을 한다.

라돈은 색, 냄새, 맛이 없고 화학 반응성이 거의 없는 비활성 기체이다. 단원자 분자로 구성되어있으며, 표준 온도 압력 상태 (STP: 0 °C, 1기압)에서 밀도가 9.73 g/L로 공기보다 약 8배 큰, 매우 높은 밀도를 보인다. 매우 무거운 기체이기 때문에 환기가 잘 안 되는 광산, 동굴, 지하실 등에 농축되어 있기 쉽다. 라돈의 어는점은 -71.15°C이고, 끓는점은 -61.85°C이므로 일반적으로 기체 상태로만 존재한다. 낮은 온도에서 고체 상태로 존재할 때는 밝은 노란색을 보이는 것으로 알려져 있으며, 더 낮은 온도에서는 주황색으로 색이 변한다. 라돈도 같은 비활성 기체족의 네온이나 아르곤처럼 화학 반응성이 거의 없지만, 제논처럼 반응성이 매우 큰 플루오린과 같은 원소와는 화합물을 만들 수 있다는 사실이 알려졌다. 라돈의 플루오르화물의 경우 그 화학 조성이 확실히 알려지지 않았으나 RnF₂로 짐작되며 XeF₂보다 안정한 고체 화합물로 알려져 있다. 라돈의 산화물의 경우 삼산화라돈(RnO₃)이 알려져 있다.

라돈과 라돈의 동위원소들은 우라늄과 토륨의 자연 방사성 붕괴의 과정에서 생성되며, ²²²Rn은 반감기(3.82일)가 ²²⁰Rn의 경우(55.6초)보다 훨씬 길기 때문에 자연에는 대부분 ²²²Rn으로 존재한다. ²²²Rn은 우라늄광, 인광석, 화성암, 변성암, 석회석, 흙, 석유 등에서 미량 발견되고, 건조한 대기에 미량 함유되어 지구 대기 전체에 약 100g 미만이 들어있는 것으로 알려져 있다. 특히, 암석에 있는 라돈의 경우 지진 등으로 지각에 균열이 생기면서 방출되는 것으로 알려져 있다. 산업적으로 라돈은 우라늄 광석의 처리 과정에서 기체 혼합물의 형태로 얻어지며, 함께 얻어지는 수소, 산소, 탄산가스, 수증기 등을 제거하여 얻을 수 있다. 또는 라듐 금속의 방사성 붕괴를 통하여 인위적으로 얻을 수 있는데, 1g의 라듐에서 하루에 0.001 mL의 라돈 기체를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 방사선에 대한 노출 문제 때문에 현재는 라돈 기체를 실용적으로 거의 사용하지 않는다.

라돈의 방사성 붕괴 과정()

라돈검출기()