방사성 동위원소

방사성 동위원소(放射性同位元素, radioactive isotope, radioisotope)는 동위원소 들 중 불안정하여 알파선(α선), 베타선(β선), 감마선(γ선) 등의 방사선을 방출하고 쪼개지는 원소들을 말한다. 이런 불안정한 원자핵을 가진 원자를 방사성 핵종(放射性核種)이라고 한다. 방사성 핵종은 감마선이나 다른 아원자 입자를 방출하며 방사성 감쇠를 하게 된다. 방사성 동위체, 또는 약해서 RI라고도 한다. 이때 붕괴 전의 불안정한 원소를 모원소라 하고 안정하게 된 원소를 자원소라고 부른다.

방사성동위원소의 분해는 압력, 온도, 화학적 처리 등 외부 환경에 영향을 받지 않는다. 방사성 동위원소는 자연적으로 만들어지기도 하고 인공적으로 합성되기도 한다. 천연에 존재하는 방사성 동위원소는 우라늄, 토륨, 라듐, 칼륨 등 70여 종이 있다. 원자로 혹은 입자가속기로 만들어지는 32P . 60Co · 137Cs와 같은 인공 방사성 원소들은 20세기 중반에 이미 1,100종이 넘어섰으며 그 종류는 아직도 증가하고 있다. 종류에 따라 붕괴 방식이 다르고 방사선에 따라 특유의 붕괴 에너지를 갖기 때문에, 이것들을 방사선 검출기로 측정함으로써 그 종류와 양을 알 수 있다. 또한, 각각의 안정된 동위원소의 생성물 또한 다르며 방사선의 경우 극미량만 존재하여도 쉽게 검출이 가능한 점을 이용하여 물질의 이동을 추적하거나 방사선이 물질을 투과할 때 일으키는 작용이 다르다는 특성을 활용하여 의학이나 공학, 농학 등의 연구에 사용되기도 한다.

베타 배터리(Beta voltaic Battery)는 베타입자(전자)를 방출하는 방사성 동위원소로부터 PN접합 반도체 표면을 통해 베타선을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 동위원소 배터리이다.

개요

방사선을 방출하며 안정된 것으로 붕괴하는 동위원소를 말한다. 원자핵 속의 양성자와 중성자는 강한 핵력에 의하여 결합되어 있으며 동시에 양성자들은 서로 전기적 반발력을 작용하고 있다. 대부분의 핵자들은 전기적 반발력보다 더 큰 핵력에 의하여 안정한 상태를 유지하고 있다. 그러나 양성자가 아주 많은 원자핵의 경우에는 양성자들 사이의 전기적 반발력이 크고, 핵자의 수가 많으므로 그들 사이의 거리가 멀어져 서로 끌어당기는 핵력은 상대적으로 작아지기 때문에 불안정한 상태가 된다.

질량수가 많은 원자핵들은 불안정하므로 입자나 전자기파를 방출하고 보다 안정한 원자핵이 되려고 한다. 이와 같이 원자핵이 불안정한 원소를 방사성 원소라고 한다. 과도한 에너지를 가진 불안정한 원자핵으로 구성되었기 때문에, 방사선의 형태로 에너지를 내놓으면서 안정된 형태로 변한다. 이러한 방사성 붕괴에서 방출되는 방사선은 감마선 같은 전자기파나, 알파선 같은 입자의 흐름이다. 이들은 모두 이온화 방사선(ionizing radiation)인데, 쉽게 말해 위험한 방사선이다.

종류

방사성 동위원소의 수는 정확히는 알려지지 않았다. 반감기가 극히 짧아서 금방 없어져 버려서 아직 분류 안된 것들이 많기 때문이다. 그리고 반감기가 긴 것도 정확한 수가 알려져 있지 않았다. 왜냐하면 많은 비방사성 동위원소(안정 핵종)도 워낙 긴 반감기 때문에 실험적으로 붕괴가 관찰되지 않은 것일 뿐, 사실은 방사성 동위원소일 것으로 예측되기 때문이다.

알려진 바로는, 이론적으로 안정함이 밝혀진 90종의 핵종과 실험을 통해 안정한 것으로 예상하는 164종의 핵종이 있으므로 안정 동위 원소는 254종이다. 방사성 동위원소는 꽤 많아서, 인공적으로 생성된 것까지 모두 합치면 약 3000여 종이 있다. 이 중에서 반감기가 60분이 넘는 비교적 안정한 종은 약 650종이며, 이 중 339종은 자연에서도 생성되는 것이다.

원자 번호가 82번보다 작은 원소는 테크네튬과 프로메튬 같은 예외를 제외하면 최소 1개 이상의 안정 방사성 동위원소를 가지고 있으며, 82번보다 큰 원소는 안정 방사성 동위원소가 하나도 없다. 곧 83번 비스무트[2]부터의 원소들은 모두 방사선을 방출하는 물질이라고 생각하면 된다. 참고로 원자 번호 82번은 납. 고로 납은 넵투늄 붕괴 사슬을 제외하면 모든 방사성 붕괴의 종착점이 된다. 원자번호가 낮은 테크네튬과 프로메튬은 양성자와 중성자를 안정적으로 배열할 적절한 방법이 존재하지 않기 때문에 자연계에 극히 드물게 존재하는 원소가 되었다.

생성 방법

방사성 동위원소는 천연 방사성 동위원소와 인공 방사성 동위원소의 두가지로 나눌 수 있다. 이 중 자연에서 발견되는 천연 방사성 동위원소에는 다시 세가지 종류가 있다. 지구 생성시부터 원래 존재해 온 동위원소, 그것이 붕괴해서 생긴 동위원소, 그리고 우주방사선에 의해 새로 생겨나는 동위원소가 그것들이다. 인공적으로 생성된 동위원소는 원자로나 입자가속기에 의해 생성된다. 원자로에서는 그 안에서 돌아다니는 중성자가 물질에 충돌해서 생겨나고, 사이클로트론 같은 입자 가속기에서는 가속된 입자가 물질에 충돌해서 방사성 동위원소가 생성된다.

용도

방사성 동위원소는 추적용 물질로 사용하는 것과 방사선의 원천으로 사용하는 것의 두가지 용도로 쓰인다. 방사성 동위원소는 일반 원소와 화학적으로 거의 동일하기 하기 때문에 화학적으로나 생물학적으로나 동일하게 반응하고, 따라서 방사능을 띤 동위원소를 추적하면 그 원소가 어디로 어떻게 반응했는지 추적할 수 있다.

의학에서는 방사성 동위원소가 진단, 치료, 연구용으로 사용된다. 감마선이나 양전자를 방출하는 추적용 방사능 물질은 인체 내부 장기에 관해 진단용 정보를 얻는데 쓰인다. PET 스캔 같은 의료용 단층촬영에도 사용된다. 진단 말고 치료에도 쓰이는데, 특정 종류의 종양 치료에 사용된다.

식품 보존을 위해서 감자나 곡물 등에 방사선을 쬐서 싹이 나지 않도록 하는데 쓰이기도 한다. 기생충이나 해충을 죽이는데도 쓰인다.

용접 부위를 검사하고 누수를 탐지하며, 마모 속도를 측정하는 비파괴검사에도 사용된다. 그리고 오염물질의 추적에 쓰이고 강물이나 지하수의 흐름을 측정하는데 사용된다. 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소는 연대측정법에 사용된다.

참고자료

• 〈방사성동위원소(radioisotope / radioactive isotope, 放射性同位元素)〉, 《사이언스올》
• 〈방사성 동위 원소〉, 《위키백과》
• 〈방사성 동위원소〉, 《나무위키》
• 〈방사성동위원소 일반〉, Atomic Wiki

같이 보기

• 동위원소
• 핵종
• 베타 배터리

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