5. 왜 방사성동위원소가 존재하는가?

모든 물질은 분자로 구성되어 있고 분자는 원자로 구성되어 있다. 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있다.

그 아래로 내려갈 수도 있지만 여기서는 이야기를 양성자와 중성자를 중심으로 전개해 보자. 양성자의 수는 원자번호라고 하고, 그 원자의 화학적 성질을 결정한다. 중성자의 수는 양성자의 수와 합쳐서 원자량이라하고, 그 원자의 질량을 나타낸다.

   원자번호가 같으면서 원자량이 다른 물질은 동위원소라 하고 이는 크게 안정동위원소와 방사성동위원소로 나눌 수 있다. 이러한 동위원소를 표시하는 방법은 국제적인 규약을 따른다. 일반적으로 원자의 원자량은 원자기호의 왼족 위첨자나 아니면 대쉬(-) 뒤에 나타낸다. 즉 ¹H, ²H, ³H, ¹²C, ¹³C, ¹⁴C 또는 H-1, H-2, H-3, C-12, C-13, C-14 등으로 쓰는 것이다.

우리가 자연계에서 쉽게 만나는 안정동위원소를 살펴 보자. 우선 원자번호 1인 수소의 원자핵은 양성자만 하나이다. 그 다음 원자번호 2∼8인 헬륨부터 리튬, 베릴륨, 붕소, 탄소, 질소, 산소원자핵 까지는 양성자와 중성자가 같은 숫자로 나가게 된다. 그런데 이러한 규칙은 9번 불소에 이르러 깨어지기 시작하는데 불소는 양성자수는 9개인데 반하여 중성자수는 10개이다. 그 다음 원자부터는 모두 중성자수가 양성자 수보다 많아지게 된다.



Z-N 커브



이를 <그림>으로 나타내었는데 양성자수를 Z, 중성자수를 N으로 하여 그림을 그리면 자연계에 보이는 원자는 거의 대부분 일정한 곡선 근처에 모이게 된다. 이 때 이 곡선을 Z-N 커브라고 한다.

Z-N 커브에서 벗어나는 원자핵들은 불안정하여 어떻게든 Z-N 커브 안으로 움직이려고 하고, 그러한 현상이 표출되는 것이 방사성 붕괴이다. 방사성 붕괴를 할 때는 부산물로 각종 방사선을 방출하게 되고 이러한 핵종을 방사성핵종이라 부르고 자주 방사성동위원소와 같은 의미로 사용한다.

사실 우주가 처음 생기면서 수많은 종류의 원자핵이 만들어질 때 꼭 양성자와 중성자의 비율이 Z-N 커브 상에 있는 안정한 동위원소만 만들어지라는 법칙은 없었을 것이다. 아마도 수많은 조합의 원자핵이 만들어졌을 것이다. 그러나 Z-N 커브 바깥의 핵종들은 불안정하여 모두 없어지고 현재는 거의 모든 핵종이 Z-N 커브에 놓이는 핵종만 남아 있는 것이다. 따라서 자연계에 존재하는 Z-N 커브 바깥의 핵종 즉 자발적으로 붕괴하여 방사선을 방출하는 핵종은 그 양이 미미하다.

다만 원자로나 사이클로트론 등과 같은 시설과 장비에 의하여 Z-N 커브를 벗어나는 핵종을 만들 수가 있고 이를 잘 회수하여 의학적으로나 공업적으로 사용을 하게 되는 것이다.

다음부터는 이렇게 Z-N 커브를 벗어나는 핵종이 어떠한 방사선을 방출하는지에 대하여 알아볼 것이다. 

2004.4.13.