동위원소

개요

영어의 'isotope'는 원래 그리스어의 'isos'(같은)와 'topos'(위치)에서 온 말로, 주기율표에서 같은 위치를 차지하는(즉 원자번호가 같은) 원소를 말한다.

지각과 대기중에 있는 원소의 대부분은 몇 가지의 동위원소가 혼합된 것으로서 그 혼합비는 대체로 일정하다. 예를 들어 천연 주석은 원자량이 112~124인 10종의 동위원소들이 혼합된 것이지만, 조사된 시료는 모두 평균 118.69의 원자량을 보이고 있다. 즉 천연에서 산출되는 주석은 동위원소의 혼합물로 원자량이 다른 10종의 주석원자들이 일정한 혼합비로 섞여서 이루어졌다.

주기율표에서 같은 위치를 차지한다는 것은 화학적 성질이 완전히 같기 때문에 방사능과 같은 물리적 성질에 의하지 않고는 구별할 수 없다는 것을 뜻한다.

연구가 진전됨에 따라 동위원소를 구별하는 기본적인 관점은 각각의 원자량을 아는 것이 되었다. 원소의 화학적 성질은 원자핵 내에 있는 양성자의 수(원자번호 : 전자의 수)에 의해 결정된다. 한편 원자량은 양성자수와 중성자수의 합이므로 동위원소란 양성자수는 같고 중성자수가 다른 원자핵으로 이루어지는 원소들이다.

그리고 원자핵의 바깥궤도를 돌고 있는 전자의 수는 원자번호와 같으므로 동위원소는 모두 같은 수의 전자를 가진다. 현재는 같은 원소로서 원자량 단위가 거의 정수에 가까운 원자핵을 지닌 원자만을 동위원소라고 한다.

동위원소의 발견

20세기초 원소의 원자량은 그 원소의 고유한 성질로, 한 원소의 원자는 모두 같고 질량도 동일하다고 생각되었다.

동일한 화학적 성질을 지닌 2개의 물질에서도 물리적인 성질이 다른 경우가 있다는 사실은 무거운 원소의 방사성 연구에 의해서 처음으로 알려졌다. 1906년에 B.B. 볼트우드가, 그 다음해에는 H.N. 매코이와 W.H. 로스가 이오늄(²³⁰Th : 우라늄의 붕괴 생성물)과 라디오 토륨(²³⁸Th : 토륨의 붕괴 생성물)이 한번 토륨과 섞여버리면 화학적으로 더이상 분리될 수 없다(두 물질은 토륨과는 방사능의 성질이 다르고 질량도 다르지만 화학적으로 분리가 불가능함)고 발표했고, 1913년에 소디는 이것을 동위원소라고 명명했다.

동위원소와 핵의 구조

동위원소의 발견에 따라 원자량이 정수에 가깝지 않은 모든 원소는 거의 정수에 가까운 원자량을 지닌 몇 개의 동위원소가 섞여서 이루어진 것이라는 사실이 밝혀졌다.

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 이 둘은 질량이 거의 같고, 그 질량은 1원자량단위에 가깝다. 이 점은 동위원소의 질량이 정수에 가깝다는 것을 설명해주고 있다. 실제의 질량값에 가장 가까운 정수가 질량수인데 이것을 A로 표시한다. A는 핵이 지닌 양성자수 Z와 중성자수 N을 합한 것이다.

질량수가 같고 원자번호가 다른 원자핵은 동중핵(同重核 isobar)이라고 하며, 양성자수가 같고 중성자수가 다른 원자핵은 동위핵(同位核 isotope), 중성자수가 같고 양성자수가 다른 원자핵은 동중성자핵(同重性子核 isotone)이라고 한다.

원자핵의 조성을 표시할 때는 화학기호(이 문자는 핵 내 양성자수를 결정함. 예를 들어 Cl이라고 쓰면 양성자수는 17)의 왼쪽 위나 오른쪽 위에 질량수(같은 원소에서도 핵 안의 중성자수에 따라 달라짐)를 덧붙여준다. ³⁵Cl과 ³⁷Cl은 염소원자의 2종류의 동위원소이고, 둘 다 17개의 양성자를 지니고 있다. ³⁵Cl은 18개(35－17=18)의 중성자를 갖고 있고, ³⁷Cl은 20개의 중성자를 갖고 있음을 나타낸다. 또 양성자수와 중성자수, 즉 질량수는 같지만 여러 가지 에너지 준위를 갖는 것들을 핵이성질체라고 한다.

이와 같이 동위원소는 질량의 차 또는 핵의 성질에 의해서 구별된다.

동위원소는 안정한 동위원소와 방사성 동위원소로 분류된다. 안정한 동위원소는 천연에 존재하는 원소의 대부분을 구성하고 있으며, 핵변환에 의해서도 생긴다. 한편 방사성 동위원소는 천연에 존재하는 것도 있지만 대부분 핵변환에 의해서 인공적으로 만들어진다. 동위원소의 정확한 질량은 정수에 가깝지만, 정수에서 조금씩 벗어나 있다. 동위원소의 질량은 모두 그 핵을 구성하고 있는 중성자와 양성자의 질량의 합보다 적다. 따라서 원자핵을 중성자와 양성자로 완전히 분해할 수는 없다.

원소의 동위원소 조성

천연에 존재하는 대부분의 원소는 어느 곳에서 채취하더라도 그 원소를 구성하고 있는 동위원소의 혼합비가 거의 동일하다.

지구 밖에서 온 운석에 포함되어 있는 원소의 동위원소의 존재비나 지표에 포함되어 있는 동위원소의 비도 동일하다. 그러나 스스로든 외부의 힘에 의해서든 붕괴해서 생긴 원소의 경우 동위원소의 존재비는 보통의 것과 다르다. 동위원소의 화학적 성질은 완전히 같지만 교환반응·흡착·확산 등의 물리적 현상에서는 원자의 질량에 차이가 나타난다. 이것을 동위원소 효과라고 하며, 질량이 적은 원자일수록 현저하게 나타난다. 동위원소 효과는 동위원소를 분리하는 데 이용된다. 가벼운 원소 중에는 얻어진 장소에 따라 동위원소의 조성이 약간 다른 것도 있지만, 대부분의 원소의 경우 이 조성은 아주 일정하다.

천연에 존재하는 원소의 조성은 표에 나와 있다. 천연에 존재하는 원소는 85종으로 모두 287개의 핵종이 있는데, 그중에서 270개가 안정한 핵종이다. 나머지 17개는 붕괴중인 방사성 핵종인데, 이것들의 반감기는 대부분 지구 연령인 45억 년 이상이다.

천연에 존재하는 방사성 동위원소

천연에 있는 방사성 동위원소는 몇 가지 원인에 의해서 생겨난다.

하나는 원소가 생겼을 때부터 존재하는 것으로서 붕괴를 계속하고 있으며, 반감기가 아주 길기 때문에(수백만 년 이상) 현재까지 남아 있다. 토륨·우라늄·칼륨 등이 이에 속한다(표 참조). 또 하나는 반감기가 짧아서 즉시 붕괴되는 동위원소이지만 어떤 원인에 의해 계속해서 새로 만들어지는 것이다. 이러한 것으로는 탈륨·납·비스무트·토륨·우라늄의 동위원소 및 비스무트와 우라늄 사이의 원소들이 있는데 이것들은 반감기가 긴 방사성 동위원소인 우라늄과 토륨이 붕괴할 때 생긴다.

또 적은 양이지만 우주선(宇宙線)에 의해서 대기중에 방사성 동위원소가 생긴다. 예로는 우주선이 대기중의 질소-14(¹⁴N)에 흡수되어 생기는 방사성 탄소-14(¹⁴C)이다. 이것은 안정한 동위원소인 ¹²C와 함께 생물조직 내에 있다. W. F. 리비는 이 조직 내에 흡수된 ¹⁴C의 반감기가 5,570년인 것을 이용하여 그것의 잔존 방사능을 측정함으로써 고고학과 지질학에 적용되는 방사성 탄소에 의한 연대측정법을 고안했다.(탄소14연대측정법)

방사성 동위원소

안정한 동위원소와 마찬가지로 방사성 동위원소도 모든 원소에 대해서 알려져 있다.

20세기 중반에는 1,100종 이상의 방사성 핵이 핵반응을 통해서 인공적으로 만들어졌고, 그 종류는 아직도 증가하고 있다. 또한 비스무트(Z=83)보다 원자번호가 큰 원소와 테크네튬(Z=43), 프로메튬(Z=61)은 방사성 동위원소밖에 존재하지 않는다.

동위원소의 분리

천연에 존재하는 원소에 포함되어 있는 여러 종류의 동위원소 중에서 특정 질량수를 갖는 동위원소를 분리함으로써 상당히 순수한 동위원소를 얻을 수 있으나, 화학과 생물학 연구에서 추적자로 사용할 때에는 완전하게 분리할 필요가 없다.

동위원소의 분리방법으로는, 대개 한 번의 분리과정만으로는 충분히 분리되지 않으므로 여러 번 반복해서 필요한 정도까지 농축하는 방법을 취한다. 분리방법의 좋고 나쁨은 2가지 측면에서 판단할 수 있다. 하나는 1번 분리할 때마다의 분리계수의 측면이다.

분리계수는 농축한 동위원소의 존재비와 최초의 존재비 사이의 비로 정의된다. 또 하나의 측면은 한 단계마다의 분리를 통해서 얻어지는 양이다. 일반적으로 분리계수가 큰 분리방법에서는 얻어지는 양이 적고, 반대로 분리계수가 작으면 얻어지는 양이 많아진다. 분리계수가 작은 방법으로 제대로 분리하기 위해서는 조작을 여러 차례 반복할 필요가 있다. 예를 들어 순도가 90％인 우라늄-235(²³⁵U)를 천연 우라늄으로 부터 분리하기 위해서는 분리계수가 1.0043인 좋은 기체확산법을 사용해도 1,660단계의 분리작업을 반복할 필요가 있다.

분리계수가 큰 분리방법으로는 전자기적(電磁氣的) 분리법이 있는데, 한 번의 조작으로 순도가 매우 높은 동위원소를 얻을 수 있지만 수량이 적다는 단점이 있다.

이 방법은 질량분석기를 사용해서 동위원소를 분리하는 것으로, 질량분석기는 사이클로트론을 개조한 칼트론이라고 한다. 일반적으로 동위원소를 대규모로 값싸게 만드는 데는 기체확산법이 좋다. 한편 전자기적 방법은 가벼운 동위원소에서 무거운 동위원소까지 여러 개의 동위원소를 동시에 분리할 수 있다.

위의 2가지 방법 외에도 동위원소 분리방법으로는 교환반응법·원심분리법·열확산법 등이 있다.

동위원소의 이용

같은 원소의 동위원소는 화학적 성질이 같다는 점이 이용되는데, 어떤 원소의 행동을 알고자 할 때 그 원소에 미량의 방사성 동위원소를 섞어 그 원소의 행동을 추적할 수 있다.

이 동위원소를 추적자라고 한다. 동위원소는 화학분석에도 중요한 수단으로 사용된다. 특히 방사성 동위원소를 화학분석에 이용하면 정밀도가 매우 높은 분석을 할 수 있다.

의학에서도 주로 방사성 동위원소가 이용된다. 처음에는 암치료에 라듐(Ra)이 이용되었지만 현재는 다른 방사성 동위원소도 이용되고 있다. 갑상선 질환의 진단과 치료에는 요오드-131(¹³¹I : 반감기 8일)이 이용된다.

공업에서는 1950년대부터 이용되었다. 금속주조품의 내부결함을 검사하는 데 X선 대신 방사성 동위원소인 코발트-60(⁶⁰Co)과 세슘-137(¹³⁷Cs) 등이 방출하는 감마선을 이용한다. 이와 같이 방사성 동위원소가 방출하는 방사선이 물질을 투과하는 성질을 이용한 것으로는 액면계·설량계·밀도계 등이 있다.

핵이성질체

핵이 지닌 양자수와 질량수는 모두 같고, 핵이 지닌 에너지만 다른 원소이다.

에너지가 높은 쪽은 핵이 들떠 있기 때문에 불안정하다. 일반적으로 핵이성질체라는 말은 들뜬상태의 핵이 바닥상태의 핵으로 변화할 때의 반감기를 측정할 수 있는 경우에만 사용된다. 이러한 들뜬상태를 준안정상태라고 하며, 이것은 원소기호에 첨자되어 있는 질량수 뒤에 상첨자를 넣어 표시한다.

A. L. Turkevich

李必烈 참조집필