(사이언스 레터)동위원소의 반감기①

물질은 원자(atom)라는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 구성되어 있다. 원자의 중심에는 (+)전하를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성된 원자핵이 존재하고, 원자핵을 중심으로 (-)전하를 띤 전자가 궤도를 그리면서 돌고 있다. 원자핵의 구성 성분 중 양성자수는 같으나 중성자수가 다른 원소를 동위원소라 한다. 양성자수를 원자번호라 하고 질량수란 양성자 수와 중성자 수를 합한 값이므로 결국 동위원소는 원자번호가 같으나 질량수가 다른 원소를 말한다. 동위원소 중 방사선을 내는 성질이 있는 것을 방사성동위원소(radioactive isotope)라 하는데 대개의 경우 동위원소라고 하면 방사성동위원소를 뜻한다.

보어의 전자껍질 모형에 의하면 원자가 에너지를 흡수하면 전자가 좀더 에너지가 높은 전자껍질로 전이되었다가 다시 낮은 에너지로 되돌아오면서 전자껍질의 에너지 차이만큼의 빛을 방출하게 된다. 그런데 이러한 에너지 차이에 따른 복사선 방출이 전자의 이동에 의해서만 일어나는 게 아니고 원자핵에서도 일어난다. 원자핵은 일반적으로 안정된 상태로 존재하지만 양성자들 사이에는 척력이 작용하고, 양성자와 중성자의 수 및 위치 또는 에너지 상태의 변화에 의해 핵을 구성하는 입자들 상호간의 균형이 깨어져서 불안정한 상태에 있는 것도 존재한다.

이러한 원자핵은 입자나 빛 등의 방사선을 방출하여 다른 원자핵으로 변하거나 상태를 바꾸는 과정을 거치게 되는데 이와 같은 원자핵을 방사성핵종이라 한다. 방사성핵종은 중성자와 양성자의 불안정한 상태에서 안정한 상태로 변환되는 과정을 겪게 되는데 이를 '붕괴(decay)'라고 한다. 이처럼 불안정한 원자핵이 안정한 상태로 가는 붕괴과정에서 입자 또는 전자파의 형태로 눈에 보이지 않는 광선을 방출하게 되는데 이것을 '방사선(radiation)'이라 하며 방사선을 방출하는 능력을 '방사능(radioactivity)'이라 한다. 붕괴 과정에서 양성자나 중성자의 수가 변하게 되고, 이에 따라 방출하는 방사선의 종류가 달라진다. 방사성 붕괴에는 α입자를 방출하는 α붕괴, 전자 또는 양전자를 방출하는 β붕괴, 전자기파를 방출하는 붕괴 등이 있다.

흔히 우리가 방사성에 대해 두려움을 느끼는 이유는 방사성 물질이 붕괴될 때 방출되는 방사선이 물질을 투과하면서 이들 물질과 상호작용을 하여 물질을 구성하는 원자로부터 전자를 제거하는 과정-전리작용(ionization)이 일어나서 인체에 돌연변이와 같은 유해함을 주기 때문이다.

차정록(차선생 과학아카데미 원장)

▶심층 면접 관련 질문

1. 금속으로 불꽃 반응을 해보면 금속마다 독특한 색이 나오며 이 빛을 분광계를 통해 보면 금속마다 다른 선스펙트럼을 얻을 수 있다. 보어의 원자모델을 확립하는데 배경이 된 선스펙트럼을 설명하시오.

2. 현재 원자는 전자구름 모형이라는 원자모델을 가장 타당하게 여기고 있다. 보어의 원자모델이 갖는 한계가 무엇인지를 서술하라.

3. 방사선을 전기장에 통과시키면 세 개의 선으로 나누어지는데 이를 방사선 분리라고 한다. 방사선 분리가 일어나는 이유를 설명하라.