동위 원소

3. 동위 원소의 성질

동위 원소는 양성자 수가 같아 전자 수도 같으므로 화학적 성질은 거의 동일하다. 하지만 질량수가 다르기 때문에 동위원소 효과가 나타난다. 더 무거운 동위 원소는 질량이 더 커서 같은 원소의 더 가벼운 동위 원소보다 반응 속도가 느리다. 이러한 차이는 프로티움(¹H), 중수소(²H), 삼중수소(³H)에서 가장 두드러지는데, 중수소는 프로티움의 두 배, 삼중수소는 세 배의 질량을 가지기 때문이다.^[33] 더 무거운 원소의 경우, 동위 원소 간의 상대적 질량 차이가 작아 이러한 효과는 무시할 수 있다.

원자핵은 잔여 강한 힘에 의해 결합된 양성자와 중성자로 구성된다. 양성자는 양전하를 띠므로 서로 밀어내지만, 중성자가 핵을 안정화시킨다. 중성자는 양성자 사이의 정전기적 반발력을 상쇄하고 핵력을 통해 서로와 양성자를 끌어당긴다.^[4] 안정적인 핵을 유지하기 위해 필요한 중성자와 양성자의 비율은 원소가 무거워질수록 증가한다. 가벼운 원소는 1:1 비율을 갖는 경우가 많지만, 칼슘-40보다 무거운 안정적인 핵종은 모두 양성자보다 중성자가 더 많다.

핵 안정성은 양성자-중성자 비율뿐만 아니라 원자 번호(''Z''), 중성자 수(''N''), 질량수(''A'')의 짝수, 홀수 여부에도 영향을 받는다. 안정적인 핵종은 대부분 양성자와 중성자가 모두 짝수인 짝-짝 핵종이다. 홀수-''A'' 안정 핵종은 홀수-양성자-짝수-중성자 핵종과 짝수-양성자-홀수-중성자 핵종으로 나뉘며, 안정적인 홀수-양성자-홀수-중성자 핵종은 매우 드물다.

3. 1. 화학적 및 분자적 성질

3. 2. 핵적 성질 및 안정성

4. 동위 원소의 역사

프레더릭 소디는 1913년에 방사성 붕괴 사슬 연구를 통해 동위 원소의 존재를 처음으로 제시했다. 1914년 T. W. 리차즈는 서로 다른 광물에서 나온 납의 원자량이 다르다는 것을 발견했는데, 이는 동위 원소 조성의 변화 때문이었다.^[16][27]

4. 1. 방사성 동위 원소

4. 2. 안정 동위 원소

4. 3. 중성자의 발견

5. 동위 원소비

자연계에서 동위원소의 존재 비율을 동위원소비(천연 존재비)라고 한다. 태양계 내 물질의 동위원소비는 방사성 물질의 영향 및 동위원소 효과를 제외하면 매우 균일하다. 이는 태양계 탄생 시 물질이 고온에서 가열되어 확산됨으로써, 그 이전에 각 물질이 보유하고 있던 고유한 동위원소비가 평균화되었기 때문으로 생각된다.^[45]

원자량이 정수에서 벗어나는 원소는 여러 동위 원소(핵종)로 구성되며, 그 비율도 제각각인 경우가 많다. 예를 들어 염소의 원자량은 약 35.5이지만, 이는 염소의 동위 원소인 염소-35와 염소-37의 존재비가 약 3:1이기 때문이다.^[45]

하지만 예외적으로, 태양계 물질에서는 볼 수 없는 동위원소비를 가진 입자가 원시적인 운석에서 발견되었으며,^[46] 이들은 초신성 폭발이나 적색 거성 주변 등 태양계 외부에 기원을 가지고 원시 태양계의 고온 시대를 견뎌낸 입자로 생각된다.

또한 태양계 내 물질이라도 동위원소 효과 등에 의해 퍼밀(‰) 단위(0.1%=1‰)에서는 동위원소비에 차이가 있다. 그 차이를 분석함으로써 시료의 기원, 변천을 알 수 있기 때문에, 지구과학 분야 등에서 동위원소비 측정이 활용되고 있다. 예를 들어, 하야부사가 가져온 시료도 희유 기체의 동위원소 측정을 통해 그 기원이 분석되었다.^[47]

지구상에서도 닫힌계 내부에서는 방사성 동위원소의 방사성 붕괴 등에 의해 세월이 지남에 따라 동위원소비가 변한다. 이를 이용한 것이 방사성 탄소 연대 측정이다.

동위원소비 측정에는 주로 질량 분석법이 사용되며, NMR이나 적외선 분광법이 활용되기도 한다. 성운 등 우주 공간 물질의 동위원소비를 측정하려면 전파 관측이나 적외선 관측이 이용된다.

6. 동위 원소 표지 화합물

동위 원소는 특정 화합물에 넣어 사용하는 경우가 많으며, 이를 '''동위원소 표지'''라고 한다.^[39] 동위원소로 표지된 화합물을 '''동위원소 표지 화합물'''이라고 한다. 간단히 "마크하다" 또는 화합물을 가리켜 '''마커'''라고 부르는 경우도 많다.

동위원소 표지 화합물의 명칭은 화학명 뒤에 표지 부위와 표지 핵종명이 이어진다. 예를 들어, 화학식 ¹³CH₃COOH의 아세트산은 아세트산-2-¹³C가 되고, 화학식 CH₃¹³COOH의 아세트산은 아세트산-1-¹³C가 된다. 화학식 ¹³CH₃¹³COOH처럼 부위의 특정이 필요 없는 경우에는 아세트산-¹³C₂로 표기된다. 또한, 동위원소 표지 화합물마다 CAS등록번호도 존재한다.

동위원소 표지 화합물의 합성은, 특히 분자의 일부 원자만을 표지하는 경우, 화학 합성에 의한 표지는 매우 어렵다.

7. 동위 원소의 응용

동위 원소는 핵의학, 화학, 생물학, 지구과학, 고고학 등 다양한 분야에서 활용된다.

• 방사성탄소연대측정법: 불안정한 원소의 반감기를 이용하여 특정 농도의 동위원소가 존재했던 시점부터 경과된 시간을 계산한다. 탄소질 물질의 연대를 측정하는 데 사용된다.^[36]
• 분광법: 핵자기 공명(NMR) 분광법, 뫼스바우어 분광법 등은 방사성 및 안정 동위원소의 고유한 핵 특성을 이용한다.
• '''원자력 및 핵무기 개발''': 특정 동위원소가 상당량 필요하다.
• '''핵의학''': 방사선종양학 등 의학적 진단 및 치료에 방사성 동위원소를 이용한다.

7. 1. 동위 원소 분리

7. 2. 핵의학 응용

7. 3. 지구과학 및 환경과학 응용

7. 4. 기타 응용

• '''원자력 전지''': 방사성핵종의 핵붕괴 시 발생하는 에너지를 열원으로 사용한다. 주로 태양계 소행성대 바깥에서 활동하는 행성 탐사선에서 태양전지로는 전력이 부족할 때 사용되는 방식이다.^[43]
• '''대사 측정''': 중수, 물-¹⁸O 또는 ¹³C로 표지된 시약을 생체 내에 투입하여, 대사가 진행됨에 따라 호기나 뇨 등에서 ¹³C, ¹⁸O, 중수소(D)를 자연 존재비보다 많이 포함한 이산화탄소나 수분 등을 채취하여 분석한다. 이 기술은 헬리코박터 파일로리의 호기 검사, 비만 과학, 스포츠 과학 등에 이용된다.^[43]
• '''붕소 중성자 포획 치료 (BNCT)''': 붕소의 동위원소 ¹⁰B의 원자핵에 중성자를 조사하면 핵반응에 의해 고에너지의 리튬 동위원소 ⁷Li 원자핵과 헬륨⁴He 원자핵을 방출하는 점을 이용하여 암 치료를 하는 방법이다. 2018년 5월 현재 이용 가능한 시설은 교토대학 복합원자력과학연구소의 교토대 원자로(KUR)뿐이다.^[48]
• '''식품 산지 분석''': 수소¹H의 동위원소 ²H, 탄소¹²C의 동위원소 ¹³C, 질소¹⁴N의 동위원소 ¹⁵N, 산소¹⁶O의 동위원소 ¹⁷O, ¹⁸O를 각각 이용하여 식품의 생육 환경·지리학적 차이를 판단하는 것이다.
• '''수권 물질 순환 분석''': 영양 단계가 하나 올라갈 때마다 탄소 안정 동위원소비 δ¹³C, 질소 안정 동위원소비 δ¹⁵N이 농축되는 것을 이용하여 영양 기원이나 영양 단계를 추정하는 데 사용된다.

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