동위원소

원자 번호(atomic number, Z)는 같지만, 질량수(mass number, A)가 다른 원자를 의미하는 동위원소는 같은 수의 양성자(proton)를 갖지만, 중성자(neutron)의 수가 다른 원소로도 해석이 가능하다. 동위원소(isotope)란 용어는 1913년 스코틀랜드 의사이자 작가인 토드(M. Todd)가 영국의 물리화학자인 소디(F. Soddy)에게 제안했던 이름으로써 그리스어로 ‘같음(equal)’을 의미하는 ‘isos’와 ‘장소(place)’를 의미하는 ‘topos’가 합쳐져 "같은 장소"를 의미하는 말로, 단일 원소의 서로 다른 동위원소가 주기율표에서 같은 위치를 차지한다는 것을 의미한다. 동위원소는 물질이나 제품의 지리적 기원, 위조 및 불순물 함유 여부 등을 판단하는 데 사용되며, 화학반응의 메커니즘을 연구하는 데 사용된다. 특히 방사성 동위원소는 원자력 발전이나 핵무기 개발뿐만 아니라 병에 대한 진단 및 치료 등에도 이용되고 있다.

목차

원자핵 내의 양성자의 수를 원자 번호라고 하며, 중성 원자의 경우 양성자의 수는 전자 수와 같다. 원자 번호에 의해 각 원소가 구별되지만, 동위원소가 구별되지는 않는다. 주어진 원소의 원자는 다양한 개수의 중성자를 가질 수 있으며 핵 내의 양성자와 중성자 수의 합이 원자의 질량수이므로, 특정 원소의 동위원소들은 서로 다른 질량수를 갖는다. 원소의 화학적 성질은 전자 수에 따라 결정되고, 중성 원자의 전자 수는 원자핵에 있는 양성자 수와 같다. 원자의 중성자 수는 화학적 성질에 거의 영향을 주지 않기에 같은 원소의 동위원소들은 비슷한 화학적 성질을 가지게 되고, 같은 형태의 화합물을 형성하며 화학 반응에서 유사하게 행동한다.

수소의 세 가지 동위원소()

수소는 세 가지 동위원소로 존재한다. 모든 수소 원자들은 핵에 1개의 양성자를 가지고 있으며 대부분(99.985%)의 수소는 중성자를 가지고 있지 않아 질량수가 1이다. 이러한 수소 원자를 프로튬(protium)이라고 부른다. 수소 원자의 0.015%를 차지하는 중수소(deuterium)는 1개의 중성자를 가지고 있어 질량수가 2이다. 또한 중성자 2개를 가지고 있어 질량수가 3인 수소를 삼중수소(tritium)라고 하며 불안정한 방사성 동위원소로 자연계에 미량만 존재한다. 동위원소는 원소를 나타내는 기호에 질량수를 왼쪽 위 첨자로, 원자 번호를 왼쪽 아래 첨자로 표시한다. 따라서 프로튬은 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{1}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@로, 중수소는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{2}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@로, 삼중수소는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{3}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@로 표시한다. 다른 예로 질소는 15가지 동위원소가 알려져 있으나 오직 두 가지 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{14}_{7}N }@@NAMATH_INLINE@@(질소-14)와 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{15}_{7}N }@@NAMATH_INLINE@@(질소-15)만 자연계에 존재하며, 우라늄의 경우 25가지 동위원소 중 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{234}_{92}U }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{235}_{92}U }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{238}_{92}U }@@NAMATH_INLINE@@ 등 보통 세 가지만 자연계에 존재한다. 전체적으로 118개의 알려진 원소에 3600개 이상의 동위원소들이 확인되고 있다.

일부 동위원소는 방사성을 나타내므로 방사성 동위원소(radioisotope) 또는 방사성 핵종(radionuclide)이라 불리며, 반면 방사성이 관찰되지 않는 동위원소를 안정 동위원소(stable isotope) 또는 안정 핵종(stable nuclide)라고 한다. 탄소를 예로 들면 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{14}_{6}C }@@NAMATH_INLINE@@는 방사성 동위원소인 반면, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{12}_{6}C }@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{13}_{6}C }@@NAMATH_INLINE@@는 안정 동위원소이다. 지구에는 자연적으로 발생한 약 339개의 동위원소가 있으며 그 중 286개는 태양계가 형성될 당시 생성된 원시 동위원소(primodial isotope)인데, 33개의 동위원소는 매우 긴 반감기(1억년 이상)을 가지고 있고 253개는 공식적으로 안정 동위원소로 간주된다.

특정 시료의 주어진 원소에 대한 동위원소의 상대적 존재량을 측정하는 동위원소 분석(Isotope analysis)을 통해 제품의 위조 여부, 식품의 불순물 검출 또는 특정 제품의 지리적 기원 등을 알아내는 데 사용할 수 있다. 동위원소가 치환된 특정 화합물의 반응속도론적 동위원소 효과(kinetic isotope effect)를 화학 반응의 메커니즘을 결정하는 연구에 사용할 수 있으며, 화학반응의 추적자(tracer)나 표시자(marker)로 특정 동위원소를 동위원소 표지(isotope labeling) 방법에 이용하기도 한다. 방사성 동위원소 표지와 유사한 기술은 방사능 연대 측정(radiometric dating)법으로 방사성 동위원소의 알려진 반감기를 이용하여 지난 시간을 계산할 수 있다. 가장 널리 알려진 예는 탄소를 포함한 물질의 나이를 결정하는 데 사용되는 방사성 탄소(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{14}_{6}C }@@NAMATH_INLINE@@) 연대 측정법이다. 이외에도 방사성 동위원소는 원자력 발전이나 핵무기 개발 등에 사용되며 핵 의학에서 병에 대한 진단 및 치료에 사용되기도 한다.

방사성 탄소 연대 측정에 사용되는 가속 질량 분석기(accelerator mass spectrometer)()

1. 레이먼드 창의 일반화학 제10판, 사이플러스, 2010년, 66-67.

2. 일반화학 atoms first 제2판, 자유아카데미, 2014년, 44-46.