방사성동위원소 일반

원소는 양전기(+)를 띄는 원자핵과 핵 주위를 도는 궤도전자(-)로 이루어져 전기적으로 중성인 입자로 원자라고도 한다. 같은 원소이면서 원자핵을 구성하는 핵자 수가 다른 종류가 있는데 이런 원소들을 동위원소라 한다. 동위원소 중에는 원자핵 구성이 안정된 원소와 에너지상태가 불안정하여 방사선(에너지)를 방출하는 방사성 원소도 있다.

동위원소의 원자핵

원자핵을 구성하는 핵자는 전기적으로 양성(+)인 양자(proton)와 전기를 띄지 않는 중성자(neutron)이다. 같은 원소라는 의미는 양자수(원자번호가 된다)가 같다는 것이다. 따라서 동위원소라 함은 원자핵의 핵자인 중성자 수가 서로 다르다는 것이다. 양자 수와 중성자 수의 합을 원소의 질량(mass number)이라 하는데 동위원소는 질량이 서로 다르다. 예를 들어 수소의 기본원소는 $_1^1H$인데 자연에는 $_1^2H$(중수소) 동위원소가 존재한다. 인위적으로 만드는 동위원소인 $_1^3H$(삼중수소)를 고려하면 수소의 동위원소는 세 종류가 되며, 자연적으로 존재하는 우라늄 동위원소는 $_{92}^{234}U$, $_{92}^{235}U$ 및 $_{92}^{238}U$ 세 종류가 있다.

방사성 원소 및 방사붕괴

방사성이라고 하는 것은 방사선이 방출된다는 의미이며 방사선은 에너지를 가진 입자 또는 전자기파이다. 방사성원소는 원자핵의 구성요소인 핵자 간의 불균형(중성자 수가 과다하거나 양자 수가 과다하다)으로 에너지상태가 불안정하여 핵자 수의 균형(과다한 핵자 수가 줄어드는 방향)을 이루는 방향(에너지상태가 안정된 방향)으로 핵의 구조가 변화(원소의 전환)되면서 핵자 수 변화에 해당하는 에너지 즉, 방사선이 방출된다. 이와 같이 에너지상태가 불안정한 원소의 원자핵 구조가 변화되면서 방사선을 방출하는 현상을 방사붕괴(radioactive decay)라 한다. 원자핵이 방사 붕괴하는 형태로는 α선(⁴He 원자핵)붕괴, β선(전자)붕괴, γ선(전자기파)붕괴, 전자포획(electron capture, β붕괴의 일종), 핵분열 등이 있다.

$_{92}^{238}U$ → $_{90}^{234}Th$ + α(⁴He)

$_{27}^{60}Co$ → ($_{28}^{60}Ni$)^* + β^-(e^-), $_{30}^{65}Zn$ → $_{29}^{65}Cu$ + β⁺(e⁺)

($_{28}^{60}Ni$)^* → $_{28}^{60}Ni$ + γ(2.506 MeV)

붕괴에 의해 원자핵의 전환이 일어난 후에도 에너지상태가 불안정할 경우에는 γ선을 방출하면서 안정된 에너지상태에 도달한다. 따라서 γ선 붕괴는 단순히 에너지상태만 변하지 원자핵의 핵자 수에는 변화가 없다.

방사성 동위원소

동위원소 중에서 방사성원소를 방사성 동위원소라 한다. 안정된 동위원소도 있고 방사성 동위원소도 있다. 천연우라늄의 세 동위원소($_{92}^{234}U$, $_{92}^{235}U$ 및 $_{92}^{238}U$)는 모두 방사성 원소이나, 수소($_1^1H$)와 중수소($_1^2H$)는 안정된 동위원소이다. 여러 원소에는 인공적으로 만들 수 있는 동위원소가 많이 존재한다. $_1^3H$도 수소의 인공적인 동위원소이다. 인공으로 만든 동위원소는 모두 에너지상태가 불안정하여 방사붕괴를 거쳐 안정된 원소로 변한다. 에너지(방사선)을 방출하는 방사성 동위원소를 산업(비파괴검사, 식물품종 개량 등)과 의료(암 치료 등) 분야에서 널리 사용하고 있다.