이 연재의 초반에 각종 원자를 원자핵 속의 중성자와 양성자의 숫자에 따라 Z-N 곡선을 그릴 수가 있고 Z-N 곡선의 위와 아래에 A, B, C, D의 영역에 분포하는 핵종들의 특성을 알아보았다(본지 2004년 4월 12일 자 참조). 그런데 안정동위원소의 분포를 그린 Z-N 곡선은 위쪽으로 원자번호가 84번 이상인 폴로늄 이상으로 커지면 곡선이 끊어지면서 끝나게 되는데 그 이유는 그 보다 무거운 원자는 안정동위원소로 존재하지 않기 때문이다. Z-N 곡선이 끝나고 그 위에 있는 영역을 E 영역으로 표시를 하였지만 아직까지 그 영역에 대한 설명을 하지 않았다. 그래서 오늘은 E 영역에 대한 설명을 하기로 한다.
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| 중성자와 양성자의 숫자에 따른 Z-N 곡선 |
원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있으므로 양전하를 띠고 있다. 양성자는 양전하를 띠고 있으므로 전기적인 힘으로 서로 밀어내고 있어서 이들을 잡아 당겨 붙여 주는 힘이 존재하지 않으면 원자핵이 분해되고 말 것이다. 이렇게 원자핵 속의 핵자들끼리 끌어당기는 힘을 핵력이라고 하고, 쿨롱력 즉, 전기력보다 훨씬 더 강한 힘으로서 자연계에 존재하는 힘 중에서 가장 강한 힘으로 알려져 있다. 그런데 이 핵력은 아주 짧은 거리에서만 작용이 가능하고 거리가 조금만 멀어져도 급속히 줄어들게 된다. 따라서 원자핵이 커지게 되면 핵자간의 간격이 커져서 핵력이 줄어들게 되어 양성자의 양전하끼리 밀어내는 힘과 맞서기가 힘들어지는데 이러한 경우 원자핵이 불안정하여 방사선을 방출하게 된다. 이 때 베타선이나 감마선 같은 것은 아무리 방출하여도 원자핵의 크기는 변화가 없다. 따라서 큰 입자를 방출하게 되는데 이 때 양성자 2개와 중성자 2개를 합친 핵자의 덩어리를 내 보내고 이를 알파선이라 한다.
| ◇ 방사성의약품 표지용으로 연구되는 알파선 방출 핵종 | |||||||||||||||||||||
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알파선을 방출시 원자핵의 에너지 준위 차가 매우 크므로 일반적으로 알파선은 수 MeV의 높은 에너지를 가지고 있고, 또한 여분의 에너지를 감마선으로 동시에 방출한다. 알파선 방출핵종은 대체로 알파선 붕괴 한번만으로 끝나지 않고 베타선 붕괴와 같이 여러 번의 붕괴를 계속하게 되고 제일 마지막에는 주로 납이 되어 안정 동위원소가 된다.
알파선은 에너지는 매우 높지만 입자의 질량이 커서 속도가 베타선보다 훨씬 느리다. 또한 하전을 +2가를 띠고 있어서 베타선에 비하여 다른 물질과 상호작용을 할 확률이 매우 높다. 따라서 어떤 물질을 통과하는 힘은 베타선이나 감마선에 비하여 훨씬 약하여 종이 한 장도 투과하기가 어렵다. 대신 강력한 에너지를 아주 짧은 거리에 모두 주게 되므로 알파선을 받은 세포는 죽을 확률이 매우 높다. 따라서 치료용 방사성의약품으로 사용하면 매우 좋을 것이다.
그러나 알파선 방출 핵종을 치료에 사용하기에는 한계가 있다. 우선 구하기가 힘들다는 문제가 있다. 아직 대부분의 알파선 핵종 연구는 오크리지나 브룩헤븐 연구소 같이 방사성동위원소를 전문적으로 생산하는 연구소에서나 가능하다.
또 한 가지 문제는 안정성이 떨어진다는 것이다. 즉 알파선 핵종을 어떤 물질에 표지하였을 때 그 것이 계속해서 표지되어 있지를 못한다는 것이다. 왜냐하면 알파선 방출 핵종은 베타선이나 감마선 방출 핵종처럼 한 번 붕괴되어 다른 물질로 변화가 끝나는 핵종보다는 여러 번의 붕괴를 거쳐 여러 가지 다른 딸 핵종이 생성되는 것이 많기 때문이다. 이러한 핵종은 인체에 투여 후 다른 동위원소로 붕괴된 후에도 계속 알파선을 방출하므로 체내 제너레이터라고 하여 치료효과를 높이는데 사용하려는 시도도 있지만, 그 보다는 딸핵종이 되면 화학적 성질이 변하기 때문에 원래 표지된 물질에서 떨어져 나올 확률이 훨씬 더 높아 안정성이 결여되는 것이다.
또한 화학적으로는 결합할 수가 있다고 하더라도 방사성 붕괴시 반조에너지에 의하여 거의 모든 핵종이 떨어져 나오게 될 것이다. 따라서 알파선 표지 방사성의약품은 다른 핵종으로 표지한 방사성의약품에 비하여 안정성이 현저히 떨어지게 된다.
따라서 알파선 표지 방사성의약품은 화학결합으로 표지하는 것보다 리포좀이나 폴리머에 포함시켜 표지하는 방법이 더 유효할 것이다. 그리고 이러한 방법으로 표지한 방사성의약품은 전신 투여 후에 특정 암 부위에 찾아가게 하는 방법보다는 직접 표적 부위에 주사한다든지 하는 방법을 사용하는 것이 훨씬 유리할 것이다.
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