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5-1. 동위원소의 정의 및 종류
5-1-1. 동위원소의 정의
앞의 4-1절에서 원자는 핵과 전자로 구성되어 있으며, 핵은 다시 양성자와
중성자로 구성되어 있음을 설명한 바 있다. 우리가 원소의 종류를 가리킬 때는 원자 번호에
따라 구분하여 부르는데, 이 원자번호라는 것이 바로 핵 내 양성자의 수이다. 각 원소들은
원자 질량을 갖는데, 이는 4-1절에서 핵의 질량이라고 얘기하였다. 그렇다면 이 질량이란 바로
핵 내 중성자와 양성자 질량의 합이 되는 것이다. 원자질량단위(amu; atomic mass unit)는
양성자 하나의 무게와 같고, 중성자의 무게는 대략 양성자의 무게와 같다. 따라서, 원자의 질량은
원자질량단위로 핵 내 양성자의 수와 중성자의 수를 합한 것과 같은 수이다. 예를 들어보자.
Ca은 원자번호가 20이고 원자질량이 대략 40이다. 이로부터 우리는 Ca의 원자 핵 내에는
20개의 양성자가 있고 (원자번호로부터), 40-20=20 즉 20개의 중성자가 있음을 알 수 있다.
위에서 Ca의 무게가 마치 항상 40인 것처럼 예를 들었다. 그러나, 그 것은
사실이 아니다. 원자는 다양한 조합의 양성자 수와 중성자 수를 갖을 수 있는데, 그 중
같은 양성자수를 갖으면서 다른 중성자 수를 갖는 원자들이 있을 수 있다. 이러한 원자들은
같은 양성자수로 인해 같은 원소로 지칭되지만, 중성자수의 차이로 인해 무게가 다르다. 이와 같이
핵내의 양성자 수는 같은데 중성자 수가 다른 원소를 "동위원소(isotope)"라
부른다. 동위원소는 달리 무게가 다른 같은 원소로 정의하기도 한다. 아래 표 5-1-1은 Ca의
동위원소들을 정리한 것으로, 각각의 양성자수, 중성자수, 원자무게, 그리고 자연계에서의 상대적 산출
비율을 보여준다.
[표 5-1-1] Ca의 동위원소
| 양성자수 |
중성자수 |
원자무게 |
자연계 상대적 산출 비율(%) |
| 20 |
20 |
40 |
96.97 |
| 20 |
22 |
42 |
0.64 |
| 20 |
23 |
43 |
0.145 |
| 20 |
24 |
44 |
2.06 |
| 20 |
26 |
46 |
0.0033 |
| 20 |
28 |
48 |
0.185 |
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앞서, 원자가 다양한 양성자와 중성자 수의 조합을 갖을 수 있다 했는데,
그렇다면 양성자 수는 다르지만 중성자 수는 같은 원소들이 있을 수도 있고, 아예 양성자수와
중성자수의 합이 같은 원소들도 있을 것이다. 전자의 원소들을
"동중성자원소(isotone)"이라 하고, 후자의 원소들을
"동중원소(isobar)"라 부른다. 동중성자 원소의 예로는 36S,
37Cl, 38Ar 등이 있는데, 이들의 중성자 수는 모두 20이다
(이때 원소기호 왼쪽 윗첨자로 표시한 숫자는 원자무게를 나타내는 것이며, 이 장에서는
앞으로도 같은 의미로 이와 같은 표시를 할 것이다). 동중원소의 예로는 무게가 40인
40Ar, 40K, 및 40Ca이 있다.
5-1-2. 동위원소의 종류
동위원소는 크게 "불안정 동위원소(unstable isotope)"와
"안정 동위원소(stable isotope)"로 나뉜다. 불안정 동위원소는
방사능 붕괴를 통하여 다른 원소(자원소)로 천이하나, 안정 동위원소는 방사능 붕괴를 하지 않고
안정하게 존재하는 동위원소이다. 방사능 붕괴에 대해서는 아래에 좀 더 자세히 다루기로 하고,
우선은 동위원소의 종류에 대한 소개를 마저 하도록 하자. 탄소(C)는 여러 동위원소가 있는데, 그 중
12C, 13C, 그리고 14C가 잘 알려져 있다. 이들 중에서,
14C는 방사능 붕괴를 하여 14N로 천이하나, 나머지 탄소의 동위원소들은
안정하게 존재한다. 따라서 14C는 불안정 동위원소, 12C와 13C는
안정 동위원소라 부른다. 238U과 235U은 모두 방사능 붕괴를 하는 불안정
동위원소로서 연쇄 붕괴를 통해 각각 206Pb 및 207Pb으로 변한다. 이들 납은
방사능 붕괴 결과 만들어진 동위원소로서, 이와 같이 방사능 붕괴에 의해 만들어져 그 성분비가
변화할 수 있는 동위원소를 "방사성 동위원소(radiogenic isotope)"이라
부른다.
대개의 방사성 동위원소는 원자무게가 많이 나가기 때문에
"중동위원소(heavy isotope)"이라 부르기도 하며, 안정 동위원소 중
가장 많이 이용되는 원소들이 주로 가볍기 때문에 "경동위원소(light
isotope)"이라 부르기도 한다.
5-1-3. 방사능 붕괴
"방사능 붕괴(radioactive decay)"란 핵내의
양성자 또는 중성자가 붕괴(다른 것으로 바뀌는 현상을 지칭함: 예로 중성자 --> 양성자 +
전자, 양성자 --> 중성자 + 양전자)되거나 밖의 전자를 포획하여 다른 원소의 핵으로 천이되는
현상을 지칭하는 것이다. 이때, 붕괴되는 원소를 "모원소(parent
element)" 그리고 붕괴되어 만들어지는 원소를 "자원소(daughter
element)"라고 한다.
방사능 붕괴는 붕괴 양상에 따라 다음의 네가지 종류로 나뉜다.
1) 베타 붕괴(beta decay 또는 negatron decay)
핵 내의 중성자가 양성자와 전자로 쪼개진 후, 전자를 밖으로 내보내며
붕괴하는 것.
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원자번호(양성자수) |
중성자수 |
원자무게 |
| 모원소 |
Z |
N |
Z+N |
| 자원소 |
Z+1 |
N-1 |
Z+N |
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예) 40K --> 40Ca + β-.
2) 양전자 붕괴(positron decay)
핵 내의 양성자가 중성자와 양전자로 붕괴하는 것.
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원자번호(양성자수) |
중성자수 |
원자무게 |
| 모원소 |
Z |
N |
Z+N |
| 자원소 |
Z-1 |
N+1 |
Z+N |
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예) 18F --> 18O + β+.
3) 전자포획 붕괴(electron capture decay)
핵 밖의 전자와 핵 내의 양성자가 결합하여 중성자로 붕괴하는
것
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원자번호(양성자수) |
중성자수 |
원자무게 |
| 모원소 |
Z |
N |
Z+N |
| 자원소 |
Z-1 |
N+1 |
Z+N |
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예) 40K --> 40Ar + E.C.
4) 알파 붕괴(alpha decay)
핵으로부터 알파 입자를 제거하는 붕괴. 알파 입자는 두 개의 양성자와
두 개의 중성자로 이루어진 것이다. 따라서, 알파입자는 4He의 핵과 같다.
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원자번호(양성자수) |
중성자수 |
원자무게 |
| 모원소 |
Z |
N |
Z+N |
| 자원소 |
Z-2 |
N-2 |
Z+N-4 |
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예) 222Rn --> 218Po + α.
방사능 붕괴를 통해 모원소로부터 자원소로 천이할 때, 한 번의 방사능
붕괴를 통해 안정한 자원소로 붕괴하는 경우와 여러 단계의 방사능 붕괴를 통해 최후의
안정한 자원소로 붕괴되는 경우가 있다. 이때 전자의 붕괴 방식을 "단일 붕괴(single decay)", 후자의 붕괴 방식을 "연쇄 붕괴(series decay)"라 한다. U, Th과 같은 원소는
연쇄 붕괴를 하는 대표적인 방사능 원소이다. 이들 원소의 연쇄 붕괴를 자세히 보려면
아래 문서를 참조하자
U 및 Th 연쇄 붕괴 문서 열어보기
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