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[원자력탐험대 22화] 쌍둥이라 부를까, 방사성 동위 원소

  • 2015.09.16.
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천연 58종이지만 인공 1100종 만들어져… 핵분열로 180종 발생

우리 생활 속에서 이제 더 이상 방사성 물질을 찾는 것은 어려운 일이 아니다. 방사능 물질은 원자력 발전소의 연료인 우라늄만이 아니란 뜻이다. 그렇기에 이들 물질을 한데 아울러 부르는 이름도 따로 있다. 바로 ‘방사성 동위 원소’이다. 그리고 현대 과학 기술의 발달로 인류의 삶에 더욱더 가까워진 원자력 세상은, 수많은 과학자의 방사성 동위 원소 발견과 연구 덕분에 가능해진 것이라고 설명할 수 있다.

△ 비슷하면서 다른 말 원자와 원소

방사성 동위 원소를 살펴보기 전에 먼저 알아야 할 개념이 ‘동위 원소’다. 용어가 좀 낯설다면 일단은 ‘쌍둥이 원소’ 정도로 이해해 두자.

세상의 모든 물질을 계속 쪼개면 고유한 성질을 가진 가장 작은 알갱이(입자), 즉 원자로 구분할 수 있다. 원자와 비슷한 말인 ‘(화학) 원소’는 화학적으로 물질을 구성하는 성분이나 요소를 뜻한다. 또 원소는 고유한 성질을 정하는 역할을 한다.

세상의 물질은 모두 원자(원소)를 서로 더해 만들어진다. 그러므로 물은 ‘산소와 수소로 나뉜다’ 또는 ‘산소와 수소로 구성돼 있다’고 말할 수 있는 것이다.

세상엔 수많은 물질이 있으니 원소도 굉장히 많을 것 같다. 하지만 사실은 그렇지 않다. 우리나라 인구 수는 5000만 명이 넘지만 성 씨는 약 290개밖에 되지 않는 것처럼 과학자들이 이제껏 밝혀낸 수소`탄소`라듐`우라늄 등과 같은 원소는 200개가 채 되지 않는다. 그렇지만 이들 원소는 어떻게 더하느냐에 각기 다른 물질이 생겨난다. 예를 들어 아주 값비싼 보석인 다이아몬드와 연필심인 흑연은 모두 탄소가 주요 성분이란 점에서 같은 형제다.

표준원소주기율표

[성질이 비슷한 원소끼리 가깝게 연결된다. 재미난 점은 이들 원소의 질량은 곧 원자 번호와 비례한다. 주기율표를 보면 우라늄처럼 방사능을 가진 원소는 질량이 무거워 뒤쪽에 자리함을 알 수 있다.]

△ 성질은 같지만 무게는 다른 동위 원소

또 한 가지 재미난 점은 과학이 발전하면서 원소들 역시 쌍둥이처럼 닮은 것들이 있음이 밝혀진 것이다. 이것이 바로 동위 원소이다.

동위란 말은 ‘같은 위치’를 뜻하는 한자어다. 과학자들은 원소의 성질이 비슷한 것을 순서대로 배치해 이제껏 발견한 원소를 한눈에 잘 필 수 있는 표(주기율표)를 만들었는데, 동위 원소는 바로 이 표에서 같은 장소에 배열되는 것을 보고 1901년 영국의 화학자 프레드릭 소디(1877~1956)가 그 뜻과 이름을 붙였다.

일반적으로 동위 원소는 화학적 성질은 같지만 질량은 다르다고 말한다. 즉 수소와 산소도 무게가 다른 수소가 존재할 수 있다는 뜻이다. 질량이 차이가 나는 이유는 원소를 이루는 원자의 질량이 다를 수 있기 때문이다. 원자는 양성자와 중성자가 뭉쳐진 원자핵과 그 주변을 도는 전자로 구성된다. 그리고 원자의 무게는 양성자와 중성자 알갱이의 수에 따라 정해지는데, 동위 원소의 경우엔 이 중성자 알갱이 수만 다르고 나머지 모든 것은 같다. 그렇기에 쌍둥이 원소라 부를 만하다.

이제까지 알려진 바에 따르면, 자연적으로 생겨난 동위 원소는 많게는 10종이 있지만 대개 원소별로 2~3종이 존재한다.

△ 방사성 동위 원소

원자력 발전의 원료인 천연 우라늄도 사실 ‘우라늄 234’, ‘우라늄 235’, ‘우라늄 238’이란 3종의 동위 원소가 한데 뭉쳐진 암석 형태로 자연에 존재한다. 이때 숫자는 바로 각각의 동위 원소가 지닌 질량 수이다.

아울러 이들은 방사성 동위 원소라 불린다. 어떤 원소의 동위 원소들 중에서 ‘원자핵이 입자를 방출하거나 전자파를 내서 자연스럽게 붕괴’하는 방사능을 가졌단 의미이다.

자연계에서 찾아낸 천연 방사성 동위 원소는 58종이지만, 인공적으로 만들어진 방사성 동위 원소는 약 1100종이나 된다.

또 이 가운데 원자 폭탄이나 원자력 발전소에서 우라늄의 핵분열과 같은 반응으로 만들어진 것은 약 180종에 이른다.

이처럼 많은 방사성 동위 원소는 다행히 아주 적은 양이라도 쉽게 확인할 수 있는 방사선을 나오므로 이를 안전하게 제어하거나 관리하는 것이 가능하다. 바로 이런 점 때문에 현재 우리 생활 곳곳에서 방사능을 이용해 도움을 주는 여러 장치를 만날 수 있게 된 것이다.

<원자력 Q&A>

Q. 방사선과 방사능의 차이를 아직도 잘 모르겠어.(조민태ㆍ파주 해솔초등 3학년)

A. ‘방사선’은 눈에 보이지 않는 광선이라고 할 수 있어요. 또 맛도 냄새도 없지요. 다시 말해서 방사선이 어디에 얼마만큼 있는지 사람은 전혀 느끼지 못한다는 얘기지요. 세상에는 이와 같은 방사선을 낼 수 있는 능력을 가진 특정한 물질이 있습니다. 우라늄이나 코발트 같은 것들로 이러한 물질을 ‘방사성 물질’이라고 합니다. 이처럼 방사선을 낼 수 있는 방사성 물질의 능력을 말할 땐 ‘방사능’이라고 한답니다.
방사선, 방사성 물질, 방사능의 관계는 건전지에서 전기가 나오는 현상에 비유하면 좀 더 쉽게 이해할 수 있어요. 즉 방사성 물질은 건전지에 해당되고 방사선은 건전지에서 흘러나오는 전기와 같습니다. 건전지가 전기를 내보내는 능력을 가지고 있는 것처럼 방사성 물질은 방사선을 낼 수 있는 능력, 곧 방사능을 가졌습니다.

원자력탐험대 22화
– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://goo.gl/VoGpzN

 

 

 

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