同位元素. Isotope.
1 개요
동위원소는 원자의 양성자 수는 같고 중성자 수가 서로 다른 원소들을 말한다. 특정 원자번호에 해당하는 원소의 원자는 딱 원자번호만큼의 양성자를 가지지만, 중성자 수는 달라질 수 있다. 달라지는 중성자 수는 원자마다 다르다.
서로 다른 원자간에, 중성자 수가 달라도 양성자 수만 같으면 원소 명은 같다. 따라서 원자핵(nucleus)[1]의 핵자(nucleon)[2]의 숫자는(질량수라 한다)는 같은 원소라 하더라도 동위원소마다 서로 다르다. 예를 들어 탄소-12와 탄소-13과 탄소-14는 탄소라는 원소의 3가지 동위원소인데, 질량수가 각각 12, 13, 14다. 탄소의 원자번호는 6(모든 탄소 원자는 6개의 양성자를 가짐)이므로, 중성자수는 각각 6, 7, 8이다.
원자핵은 양성자와 중성자가 핵력으로 결합되어 만들어진 것이다. 양성자는 양전하를 띠기 때문에 서로를 밀어낸다. 중성자는 전기적으로 중성이라 밀어내는 척력이 없고, 오히려 다음과 같은 이유로 원자핵을 안정화시키는 역할을 한다. 우선, 중성자가 끼어들면 양성자 간의 거리가 약간 벌어지게 되고, 따라서 양성자간 전기적 척력이 약간 약해진다. 그리고 중성자는 다른 중성자 및 양성자에게 끌어당기는 힘인 핵력을 미쳐서 안정화시킨다. 이러한 이유로, 2개 이상의 양성자가 원자핵에 결합되기 위해서는 중성자가 필요해진다. 양성자 수가 늘어남에 따라 양성자 수에 대비한 중성자의 비율도 늘어나는데, 그래야 원자핵이 안정되기 때문이다. 칼슘-40보다 무거운 원소는 모두 양성자보다 중성자가 더 많다. 그렇지만 중성자가 너무 많으면 불안정한 이유는 중성자 자체가 불안정하기 때문이다.
2 특성
같은 원소의 동위원소들은 서로 거의 같은 화학적 성질을 가진다. 원자는 양성자 수와 같은 수의 전자를 가지는데, 같은 원소의 동위원소들은 같은 수의 양성자를 가진다. 따라서 동위원소들은 비슷한 전자구조를 가진다. 화학적 성질은 주로 전자 구조에 의해 결정되니까, 결국 동위원소들의 화학 성질이 거의 같게 되는 것이다. 다만 이론에 따르면 동위원소 간 핵질량 차이가 큰 경우 무시할 수 없을 정도의 동위원소 효과(Isotopic effect)가 발생할 수 있으며, 가장 두드러지게 이 현상이 나타나는 것이 수소(1H)와 중수소(D)이다.
그러나 대부분의 동위원소들[3]에서는 동위원소간의 화학적 차이를 무시할 수 있다. 전자들의 질량에 비해 핵 질량이 훨씬 크고, 동위원소간의 질량차이가 비율로 따질 때 비교적 작기 때문이다. 비슷한 이유로, 동위원소로 이루어진 분자도 같은 전자 구조를 가지고, 물리적/화학적 특성도 거의 같게 된다. 다만, 분자의 진동 형태는 구성 원자의 모양과 질량에 의해 결정되므로, 이 경우는 서로 다른 진동 형태를 가지게 된다. 빛의 흡수는 진동 형태에 따라 달라지므로 동위원소 화합물은 적외선 영역에서 서로 다른 광학적 특성을 가진다.
3 분리
수소와 중수소는 화학적 성질이 다르다. 수소의 양성자가 하나밖에 없기 때문이다. 두 원소를 분리하기 위해서는 화학적 성질을 이용한다.
그 외의 동위원소들은 화학적 특성이 거의 같기 때문에, 동위원소를 분리해내는 것은 기술적으로 어려운 일이다. 특히 우라늄이라든가 플루토늄 같은 무거운 원소의 경우는 더 그렇다. 리튬이나 탄소 같은 가벼운 원소는 기체 확산법이라고 해서 기체원소와 화합물 상태로 만든 후 기체의 확산을 사용해서 분리하는 방법을 쓴다. 질량이 가볍기 때문에 동위원소간의 질량 차이가 비교적 큰 비율로 나기 때문이다. 무거운 원소는 동위원소가 질량 비율이 별로 차이가 없어서 절대적 우위를 가진 방법이 없다. 예를 들어 우라늄 동위원소에는 기체 확산법, 기체 원심분리법, 레이저 이온화 분리, 맨하탄 프로젝트에서 사용된 전자기력 분리법 같은 방법들이 사용되었다
4 생성
원소는 하나 혹은 그 이상의 자연적으로 발생된 동위원소로 구성된다. 애초에 지구 탄생시에 동위원소가 생성이 된 원소도 있고, 우주 복사선에 의해 나중에 생성된 것도 있다. 우주론에 의하면, 수소와 헬륨의 동위원소와, 미량의 리튬과 베릴륨의 동위원소 및 붕소 일부만이 빅뱅에서 생성되었다고 한다. 나머지 원소들은 그 이후에 항성과 초신성, 우주방사선에 의해 초기 원소로부터 합성되었다고 한다.
플루토늄까지 쳤을 때 약 94종의 원소가 지구상에서 자연상태에서 발견되는데, 일부 원소는 플루토늄 244처럼 극히 미량만 발견된다. 지구에서 자연상태에서 발견되는 원소를 동위원소까지 다 합치면 339종으로 예측되고 있다. 80개의 원소만이 안정한 동위원소를 가진다. 이 중 가장 많은 안정 동위원소를 가지는 것은 주석으로서, 10개를 가진다. 제논이 8종의 안정 동위원소를 가져서 2위. 반면 26종의 원소는 딱 하나의 안정 동위원소를 가진다. 모두 합쳐 252 종의 핵종이 안정적인 것으로 알려져 있다. 그리고 자연 상태에는 없는 3000여 종의 동위원소들이 핵 반응로와 입자 가속기에 의해 인공적으로 만들어졌다.
5 용어
5.1 핵종
동위원소와 비슷한 용어로 핵종(nuclide)이라는 것이 있다. 핵종은 핵자(양성자+중성자)가 특정 수의 양성자와 중성자를 가지는 원자를 뜻한다. 예를 들어 6개의 양성자와 딱 7개의 중성자를 가지는 탄소-13 만을 정확히 지칭하고자 하면, 핵종이란 용어를 쓴다. 핵종 개념은 화학적 특성보다 핵 특성을 강조하는 것이고, 동위원소 개념은 핵 특성보다는 화학적 특성을 강조한다. 현실적으로는, 동위원소가 더 오래된 용어라서 핵종보다 더 잘 알려져 있고, 핵종이란 말이 더 적합한 경우에도 동위원소라 칭하는 경우가 많다.
동위원소나 핵종은 특정 원소의 이름 뒤에 하이픈+질량수를 붙여서 표기한다. 예를 들어 탄소-12, 우라늄-235... 원소 기호를 쓸 때에는 하이픈 표기 대신에, 원소 기호의 왼쪽 위에 작은 숫자를 쓰는 방식으로 표기한다. 14C 처럼. 원자번호를 왼쪽 아래에 추가적으로 쓰기도 하는데, 어차피 원소 기호를 보면 원자번호를 알 수 있으니 생략하는 경우가 많다. 안정상태가 아닌 물질에는 질량수 뒤에 m 을 붙이기도 한다. 수소의 경우에는 과학적 표기가 아니라 경수소/중수소/삼중수소로 따로 부르기도 한다.
5.2 방사성 동위원소
일부 동위원소는 방사선을 뿜으면서 자연적으로 붕괴한다. 이를 방사성 동위원소라 하며, 반면 붕괴하지 않는 것은 안정 동위원소라 한다. 예를 들어 14C는 탄소의 방사성 동위원소고, 12C와 13C는 안정 동위원소다. 겉보기에 안정적으로 보이는 많은 동위원소들이 이론적으로는 방사성 동위원소라고 예상되고 있다. 즉, 많은 원소들이, 붕괴하지 않는 것이 아니라, 단지 아주 긴 반감기를 가졌을 뿐이라는 것이다. 붕괴하지 않는 것으로 알려진 252 종의 핵종 중에서 90종만이 이론적으로도 확실하게 안정 핵종이다. 나머지 162종의 안정 핵종은 "이론적으로는" 붕괴가 가능한데, 다만 아직 붕괴가 관찰된 바는 없다. 이러한 "이론적 붕괴"에 소요되는 반감기는 우주의 나이와 비교할 수 없이 길다. 30 종의 핵종은 우주 나이보다 더 긴 반감기를 가진 것으로 이미 밝혀져 있다. 밝혀진 핵종 중 가장 긴 반감기를 가진 텔루륨-128의 반감기는 2.23 * 10^24년으로 우주의 나이보다 160조배나 더 길다. 인공적으로 생성된 방사성 핵종을 더한다면, 알려진 핵종은 3,100개를 넘는다. 여기에는 안정적이거나 혹은 60분 이상의 반감기를 가지는 905개의 핵종이 포함된다.
5.3 평균 원자량
특정 원소에 대해 질량이 서로 다른 동위원소들이 존재하므로, 원소의 질량을 규정할 원칙이 필요하다. 원소의 원자 질량은 서로 다른 질량을 가지는 여러 동위원소의 평균 값으로 정의된다. 동위원소의 존재 비율에 따라 평균을 내므로 소숫점이 나온다. 예를 들어 염소는 75.8%의 염소-35와 24.2%의 염소-37로 구성되어 평균 원자량은 35.5 AMU(원자 질량 단위)다.
6 활용
동위원소는 여러가지에 사용된다. 동위원소 분석법은 동위원소의 특징을 측정하는 것인데, 고고학, 환경생태학, 범죄감식 등 다양한 분야에서 활용된다.
동위원소의 또 다른 흔한 용도는 동위원소 표지법이다. 이것은 드물게 존재하는 동위원소를 추적용 물질로 집어넣고, 질량 분석법이나 적외선 분광법을 통해 화학반응의 흐름을 추적하는 것이다. 방사능 동위원소 표지법과 비슷한 것으로 방사능 연대 측정법이 있다. 불안정한 동위원소의 양을 측정하고, 그 물질의 반감기 값을 이용해서 경과한 시간을 역산하는 것이다. 방사성 탄소 연대측정법이 가장 흔하다. 그 밖에 몇몇 분광법이 특정 동위원소의 핵 특성을 이용하기도 하고, 원자력 발전과 핵무기 제조에는 대량의 방사성 동위원소가 사용된다.