동위원소(Isotope)의 정의와 특징

1. 동위원소(Isotope)의 정의

 동위원소(Isotope)는 원자 번호(원자가 가지는 양성자 수와 동일)는 같지만 질량 수가 다른 원자들을 의미합니다. 어떤 원소의 동위원소는 그 원소와 같은 수의 양성자와 전자를 가지지만, 다른 수의 중성자를 가지는 경우가 있습니다. 이때 원소의 화학적 성질은 양성자와 전자의 수에 의해 결정되므로 동위 원소의 화학적 성질은 기존 원소와 같지만 중성자의 수 차이에 의한 질량 변화로 물리적 성질은 달라집니다. 이러한 차이를 이용해 동위원소를 물리적 분석으로 구분할 수 있습니다.

2. 동위원소(Isotope)의 분류와 특징

 동위원소의 특징을 설명하면 첫 번째로 동위원소는 동일한 종류의 원소입니다. 동일한 원소의 의미는 양성자와 전자의 수 및 전자 배치가 같기 때문에 그 원소가 가지는 화학적 성질은 거의 유사합니다. 두 번째는 서로 다른 질량 수를 가진다는 점 입니다. 각 원소가 가지는 다른 중성자의 수에 의해 질량에 차이가 생기고 이로 인해 밀도, 끓는점 등의 물리적 성질이 변하게 됩니다. 동위원소의 특징 중 가장 구별되는 점은 그 원소의 안정성과 방사성의 유무입니다. 원소가 가지는 방사성의 차이로 안정한 동위원소와 방사성 동위원소를 구분할 수 있습니다. 

1) 안정 동위원소

  안정 동위원소는 방사성 붕괴를 하지 않고 안정된 동위원소를 말합니다. 이들 안정 동위원소는 동위원소의 상대적 존재 비가 달라지는 특성을 이용하여 물질의 기원 및 환경 오염원 들을 추적할 수 있습니다. 그 대표적인 예가 미술품 등의 방사성 탄소 연대 측정법이 있는데 연대 측정법은 안정 동위원소 중 탄소의 존재 비로 예측할 수 있습니다. 이와 같은 안정 동위원소는 주로 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 등이 있습니다. 
 수소의 동위원소는 그 종류에 따라 경수소(1H), 중수소(2H, D), 삼중수소(3H, T)의 종류로 구분할 수 있습니다. 경수소는 양성자 한 개만으로 이루어진 원소로 중성자는 없는 것이 특징입니다. 대부분의 지구상에 존재하는 수소는 경수소로 이루어져 있습니다. 중수소(Deuterium)는 양성자 한 개와 중성자 한 개로 이루어진 동위원소로 이중 수소라고 부르기도 합니다. 삼중수소(tritium)는 양성자 한 개와 중성자 두 개로 구성된 동위원소로 방사능을 가지는 방사성 동위원소입니다. 반감기는 12.3년으로 알려져 있습니다. 
 탄소의 동위원소는 탄소-12 (12C), 탄소-13 (13C), 탄소-14 (14C)로 구분됩니다. 탄소-12는 안정하며 자연계 대부분의 존재하는 탄소로 양성자 6개와 중성자 6개로 구성되어 있습니다. 탄소-13은 양성자 6개와 중성자 7개로 구성되어 있고 마찬가지로 안정한 원소입니다. 탄소-14는 양성자 6개와 중성자 8개로 구성되어 있는 탄소의 동위원소로 방사성을 가지며 상대적으로 큰 반감기(약 5800년)를 가지고 있습니다. 이러한 반감기의 특징을 이용하여 방사성 탄소 연대 측정법에 사용됩니다. 
*방사성 탄소 연대 측정법(radiocarbon dating)은 탄소화합물 중의 탄소의 극히 일부에 포함된 방사성 동위 원소인 탄소-14(14C)의 조성 비를 측정하여 그 만들어진 연대를 추정하는 방사능 연대 측정의 한 방법으로 간단하게 탄소연대측정이라고도 부릅니다. 방사성 탄소 연대 측정법의 방법은 크게 두 가지가 있는데 하나는 방사선 계측법(베타계수법)이고, 다른 하나는 가속기 질량 분석법입니다. 방사선 계측법(베타계수법)은 시료 속에 포함된 탄소-14가 베타 붕괴를 일으키며 방출하는 전자의 수를 정밀 측정하여 탄소-14의 양을 역산하는 방법입니다. 가속기 질량 분석법은 시료 속의 탄소 원자를 이온화시킨 후, 입자 가속기로 가속하고 가속된 이온을 자기장을 통과시키면 그 질량에 따라 다른 궤적을 보이는데, 이를 통해 탄소-14와 다른 탄소 동위원소를 구분할 수 있습니다. 

2) 방사성 동위원소

 방사성 동위원소는 방사성 붕괴가 진행되며 반감기를 가지는 동위원소로 대표적으로는 우라늄(Uranium)으로 자연에서 발견되는 우라늄 원자 중에서 가장 풍부한 우라늄 원자는 우라늄-238(238U)이며, 99.2742%의 비율을 차지합니다. 자연계에서 더 흔하게 존재하지만 직접 핵분열에 사용되지 않습니다. 그 다음이 우라늄-235(235U)이며 0.7024%의 비율로 존재합니다. U-235는 유일하게 핵분열이 가능한 동위원소로 원자력발전(원자로) 및 핵무기 등에 사용할 수 있으며, 사용하기 위해서는 천연에서 매우 적은 비율을 차지하기 때문에 정련 및 정제를 통해 옐로케이크라 불리는 농축우라늄을 만들어 사용합니다. 

*방사성 붕괴(Radioactive decay)란 불안정한 원자핵이 자발적으로 이온화 입자와 방사선의 방출을 통해서 에너지를 잃고 안정된 상태로 가는 과정입니다. 또 다른 의미로는 기존 핵이 분해되어 다른 핵으로 변화하는 과정으로 설명할 수 있습니다. 외부에서 에너지를 가해 주지 않아도 본래 원자의 상태가 불안정한 원소들이 있는데, 이들 원소를 방사성 핵종(방사성 물질)이라고 합니다. 이들 방사성 핵종의 원자핵이 불안정한 상태에서 안정한 상태의 원자핵으로 바뀌는 현상이 방사성 붕괴인데 방사성 핵종들은 자연 상태에서는 일정한 시간이 지나면 그 양이 원래 원자의 개수에서 절반으로 줄어드는 특성을 보입니다. 이렇게 그 양이 반감되는 시간을 반감기라고 하며, 방사성 핵종마다 고유한 반감기를 가집니다.