방사성 물질(Radionuclide)

0. 목차

1. '방사성 물질'이란 무엇인가?
2. '방사성 물질'과 '방사선'은 어떻게 발견되었는가?
3. 방사선의 종류
4. '방사선 동위 원소'가 방사선을 방출하는 메커니즘
5. 연대 측정(Age Dating)

1. '방사성 물질'이란 무엇인가?

 '방사선(Radioactive Ray)'이란 높은 에너지를 가진 입자의 흐름 또는 전자기파이다. 그리고 '방사선을 방출하는 능력'을 '방사능(Radioactivity)'이라고 한다. 또 방사능을 가진 물질을 '방사성 물질(Radionuclide)'이라고 한다. 그러면 '방사성 물질(Radionuclide)'은 왜 방사선을 방출할까? 그 비밀은 '원자핵(Nucleus)'에 있다. '방사성 물질'에 포함된 '원자핵'은 불안정해 순식간에 파괴되거나 변한다. 그때 부산물로 방출하는 것이 방사선이다. 원자핵이 불안정해 파괴되거나 변하는 원자를 '방사성 동위 원소(Radioactive isotope)'라고 한다. '동위 원소(isotope)'란 핵의 양성자 수는 같지만 중성자 수는 다른 원자이다. '방사성 물질'은 '방사성 동위 원소'를 포함하고 있는 물질이다.

 수소를 예로 들어보자. 수소의 동위원소에는 '일반적인 수소(¹H)', '중수소(²H, Deuterium)', '삼중수소(³H, Tritium)'가 있다. '동위 원소'의 화학적인 성질은 거의 같다. '일반적인 수소'는 원자핵이 양성자 1개로 이루어져 있으며, '중수소'는 원자핵이 양성자 1개와 중수소 1개로 이루어져 있으며, '삼중 수소'는 원자핵이 양성자 1개와 중수소 2개로 이루어져 있다. 그런데 이 가운데 '삼중 수소'는 '방사성 동위 원소'이다. 불안정한 원자핵이 파괴되면 '삼중 수소는 '헬륨-3(3He)'이 된다. 원자핵이 파괴될 때 '베타선(전자의 흐름)'을 방출한다.

 또 원소 중에는 '안정된 동위 원소'가 없는 것이 있다. 예컨대 '테크네튬(Tc, 원자 번호 43)'이나 '우라늄(U, 원자 번호 92)' 등이 있다. '안정된 동위 원소'가 없는 원소의 동위 원소는 모두 '방사성 동위 원소'이다. 인공적으로 만들어진 원소에는 '안정된 동위 원소'가 없다.

'안정된 동위 원소'가 없는 원소

2. '방사성 물질'과 '방사선'은 어떻게 발견되었는가?

 1895년 11월, 독일의 물리학자 '빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Conrad Rontgen, 1845~1923)'은 '크룩스관(Crookes Tube)'을 사용한 실험에서 눈에 보이지 않는 무언가의 존재를 알아차렸다. '음극선(음극에서 양극으로 날아가는 무수한 전자의 흐름)'이 부딪쳐 '형광(에너지를 흡수한 물질이 내는 빛)'을 방출하는 '크룩스관'의 유리 벽면에서 나온 무엇인가가, 떨어진 곳에 우연히 놓여 있던 형광판을 빛나게 한 것이다. '빌헬름 뢴트겐'은 미지의 이 무엇인가를 'X선'이라고 명명했다. X선은 투과력이 높아 종이나 사람의 몸을 투과해 사진 건판에 검은 상을 만들었다.

 이후 X선을 알게 된 프랑스의 물리학자 '알리 베크렐(1852~1908)'은 X선과 비슷한 미지의 선이 다른 데도 있을지 모른다고 생각했다. 그래서 태양광선을 여러 가지 결정에 비추어, '형광(에너지를 흡수한 물질이 내는 빛)'이나 '인광(에너지를 흡수한 물질이 장기간에 걸쳐 방출하는 빛)'을 방출하는 결정에서 미지의 선이 나오는지를 조사했다. 그러다 1896년 3월, '알리 베크렐'에게 예상치 못한 일이 일어났다. 태양광선을 받지 않았음에도 불구하고, '우라늄염(우라늄을 포함한 결정)'이 사진 건반에 검은 상을 만든 것이다. 이것은 태양광선과는 무관하게 '우라늄염'이 미지의 선을 방출하고 있음을 의미했다. 발견된 미지의 선은 '베크렐선(Becquerel Rays)'이라고 명명되었다. '알리 베크렐'은 그 후에도 거듭 실험을 해서 '베크렐선은 우라늄염 안의 우라늄이 스스로 낸 것'이라고 결론 내렸다. 이리하여 우라늄이 베크렐선을 방출한다는 사실이 밝혀졌다.

 1898년에는 폴란드 출신의 물리학자 '마리 퀴리(Marie Curie, 1867~1934)'가 '토륨(Th, 원자 번호 90)'에서 '베크렐선'과 비슷한 선이 나오고 있음을 밝혀냈다. 또 '마리 퀴리(Marie Curie)'와 그의 남편인 물리학자 '피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859~1906)'는 우라늄을 포함한 '피치블렌드'라는 광물에서 베크렐선과 비슷한 선을 방출하는 '폴로늄(Po)'과 '라듐(Ra)'을 1898년에 발견했다.

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3. 방사선의 종류

 '방사성 동위 원소'가 방출하는 방사선에는 '알파선(α-ray)', '베타선(β-ray)', '감마선(γ ray)', '중성자선(Neutron ray)'이 있다. 또 '방사성 동위 원소'가 변해서 생긴 원자가 방출하는 방사선으로 'X선(x-ray)'이 있다.

 '방사선'은 세포의 DNA를 손상시키거나 절단한다. DNA가 손상되거나 절단된 세포는 암이 되거나 죽을 우려가 있다. 그래서 '방사성 동위 원소'를 대량으로 다루는 '원자력 발전소' 등에서는 방사선을 적절하게 차단해야 한다. 일반적으로 우리가 일상생활에서 자연환경으로부터 받는 방사선의 양은 아주 적으므로, 보통은 문제가 되지 않는다.

1. 알파선(α-ray): '알파선'은 광속의 약 5% 정도의 속도로 날아가는 '헬륨 원자핵(양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 입자)'이다. +2의 전기를 띠고 있다. 주위에 있는 원자의 전자나 원자핵과 강하게 끌어당기거나 반발하기 때문에 즉시 감속된다. 그래서 알파선은 종이 한 장으로도 차단할 수 있다. 4~8MeV 정도의 에너지를 갖는다.
2. 베타선(β-ray): 광속의 약 90% 정도의 속도로 날아가는 '전자(Electron)'이다. -1의 전기를 띠고 있다. 주위에 있는 원자의 원자핵이나 전자와, 알파선의 헬륨 원자핵만큼 강하게 강하게 끌어당기거나 반발하지 않기 때문에 그다지 감속되지 않는다. 그래서 베타선은 종이 1장으로 차단할 수 없고, 두께 4mm의 알루미늄판이나 두께 15mm의 아크릴판으로 차단할 수 있다. 수백 keV~2MeV 정도의 에너지를 갖는다.
3. 감마선(γ ray), X선: '감마선'이나 'X'선은 모두 '전자기파'의 일종이다. 전기를 띠고 있지 않기 때문에 차단하기가 쉽지 않다. 전자기파는 진행 방향에 있는 원자의 전자에 닿으면 흡수되거나 진행 방향을 구부려서 에너지가 줄어든다. 이 현상은 원자핵에 양성자가 많을수록 잘 일어난다. 그래서 감마선이나 X선은, 원자 번호가 큰 원자인 '납(Pb)' 등으로 된 판을 사용하면 차단할 수 있다. 예컨대 '세슘-137(¹³⁷Cs)'이 방출하는 약 661.66keV의 감마선은 두께 약 4cm의 납으로 된 판으로, 100분의 1이 될 때까지 차단할 수 있다. '감마선'은 수백 keV~2MeV 정도의 에너지를 갖고 있으며, 'X선'은 수 keV~수백 keV 정도의 에너지를 갖는다.
4. 중성자선(Neutron ray): 중성자선의 중성자는 속도가 광속의 5% 정도로 비교적 느린데도 불구하고, 전기를 띠고 있지 않기 때문에 차단하기가 쉽지 않다. 중성자는 비슷한 질량을 가진 입자에 정면충돌했을 때 가장 잘 감속된다. 중성자와 비슷한 질량을 가진 입자는 예컨대 양성자이다. 보통 '수소(¹H)'는 원자핵이 양성자 1개로 이루어진다. 그렇기 때문에 중성자선은 수소를 많이 포함한 콘크리트나, 물, 파라핀 등으로 된 두꺼운 벽을 사용하면 차단할 수 있다. 중성자선을 충분히 차단하려면 두께 수 m 되는 콘크리트 벽이 필요하다.

4. '방사선 동위 원소'가 방사선을 방출하는 메커니즘

 그러면 '방사선 동위 원소(Radioactive isotope)'는 왜 방사선을 방출할까? '방사선 동위 원소'는 원자핵이 불안정한 '동위 원소'이다. '방사성 동위 원소'의 불안정한 원자핵이 파괴되거나 변하면 대부분의 경우 방사선이 나온다. 그러면 불안정한 원자핵은 더 안정한 원자핵이 된다. 즉 '방사성 동위 원소'가 방사선을 방출하는 것은 불안정한 원자핵이 더 안정한 원자핵이 되려 하기 때문이다.

 방사성 동위 원소의 원자핵이 불안정한 이유는 크게 네 가지로 나누어진다. '중성자의 수가 너무 많은 경우', '양성자의 수가 너무 많은 경우' '중성자와 양성자 양쪽의 수가 너무 많은 경우', '원자핵이 높은 에너지 상태에 있는 경우'이다. 원자핵의 중성자 수와 양성자 수는 안정되는 조합이 정해져 있다. 작은 원자핵의 경우는 중성자의 수와 양성자의 수가 같거나, 중성자의 수가 양성자의 수보다 조금 많으면 안정된다. 큰 원자핵의 경우는 중성자 수가 양성자 수가 조금 많으면 안정된다. 중성자 수가 너무 많거나 양성자 수가 너무 많으면 원자핵은 불안정해진다.

방사선을 방출하는 경우	내용
중성자가 너무 많은 경우	음의 베타 붕괴 (중성자가 양성자로 바뀜, 전자 방출)
양성자가 너무 많은 경우	양의 베타 붕괴(양성자가 중성자로 바뀜, 양전자 방출)
	전자 포획, 이후 'X선을 방출'하거나 '바깥쪽 궤도의 전자 방출'
양성자·중성자가 모두 너무 많은 경우	'알파 입자(헬륨 원자핵)' 방출
	자발 핵분열(원자핵이 스스로 분열, 중성자선 방출)
원자핵이 너무 많은 에너지 상태에 있는 경우	감마선 방출

4-1. 중성자 수가 너무 많아, 중성자를 양성자로 바꾸는 경우 (음의 베타 붕괴)

 중성자 수가 너무 많은 '방사성 동위 원소'는 원자핵의 중성자 1개가 양성자 1개로 바뀐다. 중성자가 양성자로 바뀌면 '방사성 동위 원소'는 다른 원소의 원자가 된다. '중성자를 양성자로 바꾸는 것'을 '베타 붕괴(β decay)'라고 하며, 그중에서도 '음의 베타 붕괴(베타 마이너스 붕괴)'라고 한다. 그리고 '베타 마이너스 붕괴'가 일어날 때(중성자가 양성자로 바뀔 때)'는 '전자(Electron)가 1개 방출된다. 이때 고속으로 방출되는 전자를 '베타선(β-rays)'이라고 부른다. 중성자가 양성자로 바뀌기 때문에 '원자 번호(양성자 수)'는 1개 늘어나고 '질량수(양성자 수와 중성자 수를 더한 수)'는 바뀌지 않는다.

 '삼중 수소(³H)'는 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어진 원자핵을 가진 '방사성 동위 원소'이다. '삼중 수소'는 중성자 수가 너무 많으므로 중성자 1개가 양성자 1개로 바뀌는데, 중성자가 양성자로 바뀌면 '삼중수소'는 '헬륨-3(³He)'가 된다. 이 경우, 중성자가 양성자로 바뀌었기 때문에 '원자 번호(양성자의 수)'는 1에서 2로 바뀌었지만, 질량수는 그대로 3이다. (수소의 원자 번호는 1, 헬륨의 원자 번호는 2)

4-2. 양성자 수가 너무 많아, 양성자가 중성자로 바꾸는 경우 (양의 베타 붕괴)

 양성자 수가 너무 많은 '방사성 동위 원소'는 원자핵의 양성자 1개가 중성자 1개로 바뀐다. 양성자가 중성자로 바뀌면 '방사성 동위 원소'는 다른 원소의 원자가 된다. '양성자가 중성자로 바꾸는 것을 '베타 붕괴(β-decay)'라고 하며, 그중에서도 '양의 베타 붕괴(베타 플러스 붕괴)'라고 한다. 그리고 '베타플러스 붕괴가 일어날 때(중성자가 양성자로 바뀔 때)'는 '양전자(Positron)'가 1개 방출된다. 이때 고속으로 방출되는 양전자도 '베타선(β-rays)'이라고 부른다. 양성자가 중성자로 바뀌기 때문에 '원자 번호(양성자 수)'는 1개 줄어들고 '질량수(양성자 수와 중성자 수를 더한 수)'는 바뀌지 않는다.

 '나트륨-22(²²Na,)'는 양성자 11개와 중성자 11개로 이루어진 원자핵을 가진 '방사성 동위 원소'이다. '나트륨-22'는 양성자 수가 너무 많으므로 양성자 1개가 중성자 1개로 바뀌는데, 양성자가 중성자로 바뀌면 '나트륨-22'는 '네온-22'가 된다. 이 경우, 양성자가 중성자로 바뀌었기 때문에 '원자 번호(양성자의 수)'는 11에서 10으로 바뀌었지만, 질량수는 그대로 22이다. (나트륨의 원자 번호는 11, 네온의 원자 번호는 10)

4-3. 양성자 수가 너무 많아, 양성자가 전자를 포확해 전자로 바꾸는 경우 (전자 포획)

 양성자 수가 너무 많은 '방사성 동위 원소' 중에는, 원자핵의 양성자 1개가 원자핵 주위에 있는 전자 가운데 안쪽 궤도에 있는 전자 1개를 포획해 중성자 1개로 바뀌는 것도 있다. 그 후 더 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 안쪽 궤도로 옮겨가는데, 이때 'X선을 방출하는 경우'와 'X선을 방출하지 않고 바깥쪽 궤도에 있는 다른 전자를 방출하는 경우'가 있다.

1. X선을 방출하는 경우: 전자는 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 안쪽 궤도에 있는 전자보다 높은 에너지 상태에 있다. 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 안쪽 궤도로 옮겨갈 때 그 에너지 차이가 X선의 에너지가 되어 방출되는 것이다. 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 안쪽 궤도로 옮겨가면, 전자가 들어올 수 있는 빈자리가 바깥쪽 궤도에 새로 생긴다. 이 새로 생긴 빈자리에 더 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 옮겨간다.
2. X선을 방출하지 않고 바깥쪽 궤도에 있는 다른 전자를 방출하는 경우: 하지만 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 안쪽 궤도로 옮겨갈 때, X선을 방출하지 않는 경우도 있다. 원자가 X선을 방출하는 대신 바깥쪽 궤도에 있는 다른 전자를 방출하는 경우이다. 원자가 전자를 방출하면 전자 수가 줄어들므로 원자는 양이온이 된다.

 '철-55(⁵⁵Fe)'는 양성자 26개와 중성자 29개로 이루어진 원자핵을 갖는 '방사성 동위 원소'이다. 양성자 수가 너무 많기 때문에, 원자핵의 양성자 1개가 원자핵 주위에 있는 전자 가운데 안쪽 궤도에 있는 전자 1개를 포획해 중성자 1개로 바꾼다. 양성자가 중성자로 바뀌면 '철-55'는 '망가니즈-55(⁵⁵Mn)'가 된다. '철-55(⁵⁵Fe)'가 변해서 생긴 '망가니즈 55(⁵⁵Mn)'에는 전자가 들어갈 수 있는 빈자리가 안쪽 궤도에 1개 있다. 이 빈자리에 바깥쪽 궤도에 있는 전자가 옮겨 가고, X선을 방출하는 경우가 있다.

4-4. 양성자와 중성자의 수가 모두 지나치게 많아, 헬륨 원자핵을 방출하는 경우

 이번에는 중성자와 양성자의 수가 모두 지나치게 많은 '방사성 동위 원소'에 대해 살펴보자. 이러한 동위 원소는 원자핵의 중성자가 양성자로 되거나 양성자가 중성자로 되는 것에 더해, 원자핵에서 '알파 입자'를 방출한다. 원자핵이 '알파입자'를 방출하는 방사성 붕괴 현상을 '알파 붕괴(α-decay)'라고 한다. '알파 입자(α-particle)'는 '헬륨 원자핵'으로 양성자 2개와 중성자 2개가 합쳐진 덩어리이다. 이 '헬륨 원자핵'의 흐름이 '알파선(α-ray)'이다. 양성자 2개와 중성자 2개가 줄어들기 때문에, '알파 붕괴'에 의해 생기는 원자핵은 원래의 것에 비해 원자번호가 2, 질량수가 4만큼 감소한다.

 '아메리슘 241(²⁴¹Am)'은 양성자 95개와 중성자 146개로 이루어진 원자핵을 가진 '방사성 동위 원소'이다. 중성자와 양성자 양쪽의 수가 너무 많으므로, '알파 붕괴'하여 원자핵에서 '헬륨 원자핵(알파 입자)' 1개를 방출한다. 헬륨 원자핵을 방출하면 '아메리슘 241(²⁴¹Am)'은 '넵튜늄 237(²³⁷Np)'이 된다.

알파 붕괴

4-5. 양성자와 중성자의 수가 모두 지나치게 많아, 스스로 분열하는 경우 (자발 핵분열)

 중성자와 양성자의 수가 너무 많은 '인공 방사성 동위 원소' 가운데는 원자핵이 스스로 분열하는 것도 있다. 원자핵이 분열하면 '방사성 동위 원소'는 2개의 각각 다른 원소의 원자가 된다. 이처럼 중성자의 충격 따위에 의하지 아니하고 원자핵이 자발적으로 만드는 핵분열을 '자발 핵분열(Spontaneous Fission)'이라고 한다. 원자핵이 분열할 때 원자핵에서는 여분의 '중성자(Neutron)'가 나온다. 이 중성자의 흐름을 '중성자선(Neutron Ray)'이라고 한다. 단 '원자핵이 스스로 분열하는 방사성 동위 원소'는 자연 상태에는 존재하지 않는다.

 '캘리포늄 252(²⁵²Cf)'는 양성자 98개와 중성자 154개로 이루어진 원자핵을 가진 '방사선 동위 원소'이다. 중성자와 양성자 양쪽의 수가 너무 많으므로, 원자핵이 스스로 분열한다. 원자핵에서는 여분의 중성자가 2~4개 나온다.

자발 핵분열(Spontaneous fission)

4-6. 원자핵이 너무 높은 에너지의 상태에 있어, 감마선을 방출하는 경우

 원자핵의 중성자 수와 양성자 수가 안정된 조합이어도 '원자핵(Nucleus)'이 불안정한 경우가 있다. 바로 원자핵이 고에너지 상태에 있을 때이다. '원자핵이 높은 에너지 상태에 있는 방사성 동위 원소'는 원자핵이 낮은 에너지 상태가 될 때 원자핵에서 '감마선(Gamma ray)'을 방출한다. 이처럼 들뜬 상태에 있던 원자핵이 에너지가 아주 큰 전자기파인 '감마선'을 방출하면서 더 낮은 에너지 상태가 되어 안정한 원소가 되는 과정을 '감마 붕괴(γ-decay)'라고 한다. 이 과정에서는 '원자 번호'와 '질량수'에 변화가 없다.

 '테크네튬 99m(^99mTC)'은 '원자핵이 높은 에너지 상태에 있는 방사성 동위 원소'이다. '테크네튬 99m(^99mTC)'은 원자핵이 '감마 붕괴'될 때 '감마선'을 방출한다. 테크네튬 99m의 m은 원자핵이 '준안정 상태(Metastable)'임을 나타내는 기호이다.

감마 붕괴(Gamma Decay)

5. 연대 측정(Age Dating)

 '방사성 동위 원소'의 원자핵은 불안정해도 실제로 붕괴를 일으키기까지는 시간이 걸린다. '즉시 붕괴를 일으키는 방사성 동위 원소'도 있지만, '몇 억 년 동안 붕괴를 일으키지 않는 방사성 동위 원소'도 있다. 많은 개수가 있는 방사성 동위 원소가 붕괴를 일으켜 원래 개수의 절반이 되기까지 걸리는 시간을 '반감기'라고 한다. '반감기'는 방사성 동위 원소'마다 정해져 있다. 그래서 '방사성 동위 원소'는 과거의 사건이 언제 일어났는지 추정할 때 이용되기도 한다. 예컨대 생물의 유해가 발굴되었을 때, 그 생물이 어느 시대에 살았는지를 추정하는 방법으로 '탄소-14 연대 측정법(C-14 Age Dating Method)'이 있다.

 '탄소-14(¹⁴C)'는 양성자 6개와 중성자 8개로 이루어진 불안정한 원자핵을 가진 탄소의 '방사성 동위 원소'이다. '탄소 14'는 원자핵의 중성자가 양성자로 바뀌면 '질소 14(¹⁴N)'로 바뀐다. 대기 중의 탄소에는 탄소 14가 0.00000000012%, 즉 1000억 분의 12% 정도 포함되어 있다. 동위 원소의 화학적인 성질은 거의 같기 때문에 대기 중의 탄소 14도 보통 탄소와 마찬가지로 광합성에 의해 식물에 흡수된다. 또 식물이 초식 동물에게 먹히거나 초식 동물이 육식 동물에 먹히거나 함으로써 탄소 14는 동물에 흡수된다. 이 때문에 살아 있는 생물의 탄소에는, 항상 대기 중의 탄소에 포함되는 것과 같은 비율로 탄소 14가 포함된다. 생물의 유해가 발굴되었을 때, 유해의 탄소에 탄소 14가 어느 정도 비율로 남아 있는지 조사하면, 그 생물이 언제쯤 죽었는지 알 수 있다. 생물이 죽으면 탄소가 생물의 몸에 새로 흡수되지 않아서, 유해의 탄소 14비율은 줄어들기만 하기 때문이다.

 탄소 15의 반감기는 거의 5730년이다. 예컨대 '대기 중의 탄소에 포함되는 탄소 14의 비율(1000억 분의 12%)'과 비교해, '발굴된 생물 유해의 탄소에 포함된 탄소가 절반의 비율(1000억 분의 6%)'이었다고 하면, 그 생물은 5730년 전에 죽은 셈이 된다. 이것이 '탄소 14 연대 측정법'의 메커니즘이다. 예컨대 탄소 14의 개수가 최초 개수의 2분의 1이면 5730년이 경과된 것이고, 탄소 14의 개수가 최초 개수의 4분의 1이면 5730×2년이 경과된 것이고, 탄소 14의 개수가 최초 개수의 8분의 1이면 5730×3년이 경과된 것이다. 단, '탄소-14 연대 측정법'으로 추정할 수 있는 것은 과거 5만~6만 년 이내의 사건이라고 생각된다. 경과 시간이 길어지면 탄소 14의 개수가 너무 적어져 오차가 커지기 때문이다. 더 이상의 과거 사건을 추정하기 위해서는 탄소 14보다 반감기가 긴 다른 방사성 동위 원소를 이용해야 한다.