[화학] 방사선? 원전? 동위원소!

aksen (53)in #kr-series • 6 years ago (edited)

안녕하세요! 만두 (@aksen ) 입니다.

오늘부로 @joceo00 님의 제3회 천하제일연재대회 에 참여하게 되었습니다!
첫 번째 연재 글입니다. 많은 관심 부탁드립니다!!

오랫만에 화학글로 돌아왔습니다~~

이번에 알아볼 것은 바로 동위원소입니다. 동위원소란 무엇일까요?

1. 동위원소란?

동위원소란 원자번호는 같지만 원자량이 다른원소를 말합니다.

이 때 원자번호는 같으므로 양성자수는 같습니다.
전자는 원자량에 큰 영향을 주지 못하므로 결국 중성자수의 차이로 부터 발생합니다.

위와 같이 수소는 가장 흔한 수소를 제외하고도 중수소와 삼중수소, 2개의 동위원소를 가지는데요. 중수소는 중성자를 하나, 삼중수소는 중성자를 두개 더 가지고 있는것을 볼 수 있습니다.

그렇다면 이러한 동위원소가 모두 같은 종류로 분류할 수 있을까요?

2. 동위원소의 종류

동위원소는 크게 두가지로 나눌 수 있습니다.
바로 불안정 동위원소와 안정 동위원소인데요.
이 둘의 차이는 바로 붕괴속도에 있습니다.

먼저 불안정 동위원소에 대해 알아봅시다.
방사성 동위원소라고도 불리는 이 동위원소는 대부분 붕괴속도가 매우 빠릅니다.
초기양의 반으로 줄어드는 시간인 반감기 역시 매우 짧죠.

3000종이 넘는 방사성 동위원소중에서 반감기가 60분이 넘는 비교적 안정한 동위원소는 300여종 밖에 안됩니다. 심지어 몇몇 동위원소는 반감기가 나노초 단위 ( 10^-9 ) 인것도 있습니다.

또한 이들은 붕괴하면서 방사선을 방출하는데요, 방사성 동위원소를 이용하는 경우 대부분 이러한 성질을 이용하기 위해서이죠.

예시로는 우라늄 235, 플루토늄 239 등이 있습니다.

반대로 안정 동위원소는 불안정 동위원소와는 반대로 반감기가 매우 깁니다.

예시로는 산소 18, 탄소 13 등등이 있습니다.

자연계에선 이 두가지의 동위원소 둘다 모원소에 비하면 매우 적은량만 존재하는데요.

특이한 점으로는 납보다 무거운 원소중에는 안정 동위원소가 없다는 점입니다. 그래서 무거운 원소들의 붕괴는 보통 납에서 종결되죠.

그러면 이러한 동위원소를 우리는 어떻게 이용하고 있을까요??

3. 동위원소의 이용

동위원소를 어떻게 이용하고 있을까요?

앞서 말했다시피 방사성 동위원소는 방사선을 방출하는데요, 이 성질 때문에 안정 동위원소보다 방사성 동위원소를 더 많이 사용합니다.

가장 먼저 떠올릴 수 있는 것은 원자폭탄이나 핵분열 발젙같은 핵분열을 이용하는 경우입니다.

무겁고 불안정한 방사성동위원소의 경우 쉽게 핵이 쪼개지며 에너지를 발생시키는데요.
이 반응을 연쇄적으로 일어나게 하면 핵폭탄, 속도를 조절하며 천천히 일어나게 하면 핵분열 발전이 됩니다.

다음은 방사성 연대측정 입니다. 방사성 동위원소중 반감기가 긴 원소를 주로 사용합니다.
(간혹 안정 동위원소중 반감기가 그나마 짧은 원소를 이용하기도 합니다.)

방사성 동위원소는 반감기가 지나면 원래 양의 반으로 줄어들게 되는데요.
이 시간은 초기 양에 상관없이 일정합니다.

즉 1에서 시작해서 1/2 까지 붕괴해서 줄어드는 시간과
1/2에서 시작해서 1/4 까지 붕괴해서 줄어드는 시간이 같습니다.

따라서 방사성 동위원소의 초기양과 반감기만 알고 있다면 그 원소를 포함하고 있는 암석의 나이를 구해낼 수 있는거죠.

예를 들어 봅시다.

반감기가 2억 5천만년인 어떤 원소가 들어있는 암석이 발견됬는데 성분을 조사해봤더니 이 원소는 초기양의 1/8 밖에 있지 않았다고 합시다.
1 -> 1/2 -> 1/4 -> 1/8, 즉 반감기가 3번 지났으므로 이 암석의 나이는 7억 5천만년이 되는 것입니다.

방사성 동위원소가 쓰이는 곳은 여기서 끝나지 않습니다.

방사성 동위원소로 표지한 화합물을 추적해서 반응의 경로 등을 알아내기도 합니다.

허시와 체이스는 인 32 와 황 35를 사용해서 유전물질이 단백질이 아니라 DNA라는 것을 밝혀내게 됩니다.

이들은 세균을 숙주로 삼아 번식하는 바이러스인 박테리오 파지를 각각 인 32와 황 35가 포함된 환경에서 따로따로 키워냈는데요, 인은 DNA에만 존재하고 황은 단백질에만 존재하기 때문에 인 32가 포함된 환경에서 자란 박테리오파지는 DNA에 방사능을 띠게 되고 황 35가 포함된 환경에서 자란 박테리오파지는 단백질에 방사능을 띠게 됩니다.

이 두 종류의 박테리오파지를 각각 세균을 숙주로 삼게 한 다음 세균의 방사능을 조사했는데요.
결과적으론 인 32로 표지한 박테리오파지가 숙주로 삼은 세균에서 방사능이 검출되었습니다.

박테리오파지가 번식을 위해 세균에 집어넣은 유전물질은 단백질이 아니라 DNA였다는 것이죠.

방사성 표지를 통한 연구를 하나 더 소개해보고자 합니다.

바로 캘빈회로의 추적인데요

미국의 과학자 캘빈은 광합성 반응의 일부인 캘빈회로를 방사성동위원소 표지를 통해 추적했습니다.

식물에게 탄소 14가 포함된 이산화탄소를 조금씩 공급한 후 어떤 물질이 방사능을 띠는지 조사한 것인데요.
캘빈은 여러 식물에게 방사능표지된 이산화탄소를 각각 5초, 20초, 1분, 3분, 10분, 30분, 1시간 씩 공급한 다음 식물을 분해, 추출해서 어떤 화합물이 방사능을 띠는지 조사하여 광합성 과정이 어떠한 순서로 일어나는지를 밝혔답니다.