폴로늄

6주기의 16족 원소인 폴로늄은 안정한 동위원소가 없고 희귀하며 방사선이 매우 강하다. 이로 인하여 폴로늄은 매우 위험하다. 화학적 특성은 같은 족의 셀레늄(Se)과 텔루륨(Te)과 비슷하지만, 금속성은 같은 주기의 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi)와 유사하다. 준금속으로 분류되며, 우라늄 광석에서 추출된다. 모든 동위원소의 반감기가 매우 짧기 때문에 자연적으로 생성되는 폴로늄의 존재는 우라늄 광석에서 소량 발생하는 ²¹⁰Po(반감기 138일)의 흔적으로부터 확인할 수 있다. 좀 더 긴 반감기를 가진 동위원소가 존재하지만, 생산하기가 매우 어렵다. 오늘날 폴로늄은 비스무트의 중성자 조사(neutron irradiation)에 의해 밀리그램 단위로 생산된다. 보통 폴로늄이라고 지칭할 때는 ²¹⁰Po을 가리키는데 '라듐 F'라고도 불린다. 2006년에 러시아 푸틴 정권을 비판하여 영국으로 망명한 러시아의 전 KGB 요원 리트비넨코(A. Litvinenko)를 살해하는데 사용하였던 우산에서 검출된 물질이기도 하다.

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폴로늄은 1898년 퀴리 부부가 우라늄 광석에서 추출하여 발견하였으며, 그 이름은 마리 퀴리(Marie Curie)의 조국인 폴란드의 이름을 따서 명명되었다. 당시에 폴란드는 러시아, 독일, 오스트리아와 헝가리의 지배하에 있었으며, 독립 국가로 존재하지 않았다. 곤경에 빠진 조국 폴란드의 이름을 따서 붙인 것은 그녀의 희망이었으며, 이로 인해 정치적으로 주목받은 첫 번째 원소이다.

폴로늄은 마리 퀴리가 피치블렌드에서 방출되는 방사능의 원인을 연구하는 중 발견한 첫 번째 원소이다. 퀴리 부부는 피치블렌드로부터 방사성 원소인 우라늄과 토륨을 제거했지만, 계속하여 많은 방사능이 방출되는 것을 확인하였고, 이는 추가로 새로운 방사성의 원소를 찾도록 해주는 계기가 되었다. 그들은 1898년 7월에 피치블렌드에서 폴로늄을, 5개월 후에 라듐을 각각 분리하였다.

폴로늄은 우라늄 광석에 메트릭 톤당 0.1mg이 함유되어 있는데, 이것은 라듐의 약 0.2% 정도이다. 지구의 지각에 포함된 폴로늄의 함량은 위험할 정도는 아니다. 극소량의 폴로늄이 인산염 비료로 재배된 담뱃잎으로부터 생성되는 담배 연기에서도 발견될 수 있다. 자연에 극소량으로 존재하기 때문에 천연 물질로부터 폴로늄을 분리해 내는 과정은 매우 힘들고 지루한 과정이다. 20세기 전반에 수행되었던 작업 과정 중에 가장 많이 추출된 폴로늄의 양은 ²¹⁰Po 9mg이었으며, 라듐 생산 과정에서 사용된 37톤의 잔류물을 처리하여 얻을 수 있었다. 현재 폴로늄은 보통 비스무트에 고에너지의 중성자 또는 양성자를 조사하여 생산하고 있다. 최근에는 매년 100g 정도 생산되고 있으며 대부분 러시아에서 생산되고 있다.

폴로늄은 원자량 188~220 사이의 33개 동위원소를 가지고 있으며, 모두 방사성 원소이다. 138일의 반감기를 가진 ²¹⁰Po이 가장 널리 알려져 있으며, 방사선을 내놓고 안정한 납의 동위원소인 ²⁰⁶Pb로 붕괴된다.

폴로늄은 α형과 β형의 두 가지의 동소체가 존재하는 방사성 원소이다. α형은 단순 입방 결정 구조이고 저온에서 안정하며, β형은 마름모 결정(rhombohedral) 구조이며, 고온에서 안정하다. α형에서 β형으로의 전이 온도는 36 ℃(18~54 ℃에서는 공존한다)이다.

고체 폴로늄의 α형 구조 ()

폴로늄은 은빛 광택을 지닌 무른 금속으로 공기 중에서는 황색의 산화막을 형성한다. 밀도는 상온에서 α형은 9.916g/cm³, β형은 9.398g/cm³이다. 녹는점은 254℃, 끓는점은 962℃이다.

폴로늄의 화학적 특성은 텔루륨과 비슷하지만, 더 큰 금속성으로 인하여 이웃한 비스무트와 유사한 화학적 특성도 나타낸다. 폴로늄은 묽은 산 용액에는 쉽게 녹지만 염기성 용액에는 잘 녹지 않는다. 폴로늄 용액은 Po²⁺이온의 존재로 인하여 처음에는 분홍색을 띠지만, 폴로늄으로부터 방출되는 α 방사선이 용매를 이온화시키고 Po²⁺이온을 Po⁴⁺이온으로 변화시켜 급속하게 황색으로 변한다. 이 과정에서 흡수된 알파 입자로 인한 열과 빛의 방출이 동반된다. 결과적으로 폴로늄 용액은 휘발성이며, 밀폐하여 보관하지 않으면 며칠 내에 증발한다.

폴로늄의 독성은 청산가리로 잘 알려진 사이안화수소(HCN)의 최소 25만 배~최대 1조 배에 달하며, 1조 분의 1g만 몸에 들어와도 매우 위험하다. 상처가 난 부위나 음식물로만 체내에 흡입되며, 피부로는 침투되지 않는다. 하지만 한 번 인체에 투입되면 폴로늄에 의해 방출되는 알파 입자들이 신체 조직을 쉽게 손상하게 되고 해독하기 쉽지 않다. 담배에 소량의 ²¹⁰Po이 포함되어 있는데, 이는 전 세계적으로 폐암을 일으키는 원인 중 하나로도 알려져 있으며, 담배 연기에 폴로늄이 존재한다는 것은 1960년대 초반부터 알려졌다. 세계 최대의 담배 회사 중 일부는 지난 40년 동안 폴로늄 성분을 제거하려는 방법을 연구한 것으로 알려졌는데 아직 그 결과는 발표된 바 없다.

폴로늄의 응용은 폴로늄에서 나오는 방사능과 관련된 분야로 제한되는데 우주 탐사기의 히터, 정전기 방지 장치, 알파 입자의 원천으로써 이용되고 있다. ²¹⁰Po 시료 1g으로부터 방출되는 강력한 알파 방사선은 약 140W의 전력 생산이 가능한 500 ℃ 이상으로 온도를 높일 수 있는데, 이는 폴로늄을 방사성동위원소 열전 발전기(radioisotope thermoelectric generator)에 전력을 공급하는 원자 전지(atomic battery)에 이용할 수 있게 한다.

또한, 정전기 방지 솔에도 미량 포함되어 있으며, 특히 베릴륨과의 합금은 알파 입자가 없는 중성자 원천으로도 이용되는데, 폴로늄으로부터 방출된 알파 입자는 백만 개 입자 당 93개의 비율로 산화 베릴륨(BeO)을 이용하여 중성자로 전환될 수 있다. 이렇게 생성된 폴로늄-산화 베릴륨 합금은 중성자 원천이 되어 핵 무기용 개시제로 이용되고 있으며, 유정(oil well)을 검사하는 곳에도 사용되고 있다.

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