동위원소(同位元素, Isotope)는 원자의 양성자 수는 같으나 중성자 수가 달라 질량이 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 같은 원소라 하더라도 원자핵(nucleus)의 핵자(nucleon)의 숫자는(질량수라 한다) 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 양성자 간 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.
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 동위원소 간의 화학적 차이를 무시할 수 있다. 전자들의 질량에 비해 핵 질량이 훨씬 크고, 동위원소 간의 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.
참고자료
같이 보기
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