라돈

3. 물리적 성질

라돈은 무색, 무미, 무취의 성질을 가진 기체로써 사람의 어떠한 감각 기관으로도 감지가 불가능하다.^[11] 표준 온도 압력에서 라돈은 비활성기체의 성질을 지니며, 밀도는 9.73kg/m³로 해수면에서 밀도 1.217kg/m³인 대기의 약 8배이다.^{[12][176][177]} 이로 인해 라돈은 상온에서 제일 밀도 높은 비활성기체이다. 라돈의 끓는점은 -61.8°C이며, 녹는점은 -71°C (-71.15 ℃(202 K))이고 녹는점에서 노란색 방사성 발광을 시작하며, 액화 공기의 온도인 -195°C에서는 홍색 빛을 내게 된다.^[13][178] 응축되면 강한 방사선을 방출하기 때문에 빛을 낸다.^[14][179]

3. 1. 일반적 성질

3. 2. 발광 현상

3. 3. 용해도

4. 화학적 성질

라돈은 비활성 기체라고 불리는 0가의 원소에 속하며, 화학적으로 매우 반응성이 낮다.^[23] Rn의 3.8일 반감기는 자연 추적자로서 물리 과학에서 유용하게 사용된다. 라돈은 붕괴 사슬의 모원소와 달리 표준 조건에서 기체이기 때문에 연구를 위해 쉽게 추출할 수 있다.^[23]

라돈은 바깥쪽 원자가전자껍질에 8개의 전자가 있기 때문에 연소와 같은 대부분의 일반적인 화학 반응에 불활성이다. 이는 바깥쪽 전자가 단단히 결합되어 안정적이고 최소 에너지 배열을 생성한다.^[16] 라돈의 제1 이온화 에너지(하나의 전자를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지)는 1037 kJ/mol이다.^[17] 주기적 경향에 따라 라돈은 그 위 주기의 원소인 크세논보다 전기음성도가 낮으며, 따라서 더 반응성이 높다. 초기 연구에서는 라돈 수화물의 안정성이 염소() 또는 이산화황() 수화물과 같은 정도이고, 황화수소() 수화물의 안정성보다 훨씬 높을 것이라고 결론지었다.^[18]

라돈의 비용과 방사능 때문에 라돈을 이용한 실험 화학 연구는 거의 수행되지 않으며, 그 결과 라돈 화합물에 대한 보고는 매우 적고, 모두 플루오르화물 또는 산화물이다. 라돈은 플루오린과 같은 강력한 산화제에 의해 산화되어 이플루오르화라돈()을 형성할 수 있다.^[19] 523 K 이상의 온도에서 원소로 다시 분해되며, 물에 의해 라돈 기체와 플루오르화수소로 환원된다. 수소 기체에 의해서도 원소로 환원될 수 있다.^[24] 라돈은 휘발성이 낮고 로 여겨졌다. 라돈의 짧은 반감기와 그 화합물의 방사능 때문에 이 화합물을 자세히 연구할 수 없었다. 이 분자에 대한 이론적 연구는 Rn–F 결합 거리가 2.08 Å(옹스트롬)이고, 이 화합물이 열역학적으로 더 안정적이고 더 휘발성이 낮다는 것을 예측한다. 이는 더 가벼운 상대인 이플루오르화크세논()보다 덜 휘발성이다.^[20] 팔면체 분자인 은 이플루오르화라돈보다 더 낮은 생성 엔탈피를 가질 것으로 예측되었다.^[21] [RnF]⁺ 이온은 다음 반응에 의해 형성되는 것으로 여겨진다.^[22]

: Rn (g) + 2 (s) → (s) + 2 (g)

이러한 이유로 오산화안티몬과 삼플루오르화염소 및 은 라돈-플루오린 화합물의 형성으로 인해 우라늄 광산에서 라돈 가스 제거를 위해 고려되어 왔다.^[23] 라돈 화합물은 라듐 할라이드에서 라듐의 붕괴에 의해 형성될 수 있으며, 이 반응은 조사 중에 표적에서 방출되는 라돈의 양을 줄이는 데 사용되었다.^[24] 또한, [RnF]⁺ 양이온과 , 및 음이온의 염이 알려져 있다.^[24] 라돈은 또한 173 K에서 이플루오르화이산소에 의해 로 산화된다.^[24]

라돈 산화물은 다른 몇 가지 보고된 라돈 화합물 중 하나이다.^[25] 삼산화물()만이 확인되었다.^[27] 고급 플루오르화물인 와 가 주장되었고^[27] 안정적인 것으로 계산되었지만,^[26] 확인이 불분명하다.^[27] 이들은 알 수 없는 라돈 함유 생성물이 육플루오르화크세논과 함께 증류된 실험에서 관찰되었을 수 있다. 이것들은 , 또는 둘 다일 수 있다.^[24] 크세논, 플루오린, 오플루오르화브롬, 그리고 플루오르화나트륨 또는 플루오르화니켈 중 하나와 라돈을 미량 가열하여 고급 플루오르화물을 생성하는 것으로 주장되었으며, 이는 를 형성하도록 가수분해되었다. 이러한 주장이 실제로 라돈이 고체 착물 [RnF][NiF₆]²⁻로 침전되었기 때문이라는 제안이 있었지만, 라돈이 와 함께 수용액에서 공침한다는 사실은 가 형성되었다는 것을 확인하는 것으로 받아들여졌으며, 가수분해된 용액에 대한 추가 연구에서도 뒷받침되었다. [RnO₃F]⁻이 다른 실험에서 형성되지 않은 것은 사용된 플루오르화물의 농도가 높았기 때문일 수 있다. 전기이동 연구는 또한 약산성 수용액(pH > 5)에서 라돈의 양이온 형태인 [HRnO₃]⁺ 및 음이온 형태인 [HRnO₄]⁻의 존재를 시사하며, 이 절차는 상동체인 삼산화크세논을 검사하여 이전에 검증되었다.^[27]

붕괴 기술도 사용되었다. Avrorin 외는 1982년에 ²¹²Fr 화합물이 세슘 유사체와 공결정화된 경우 전자 포획 후 화학적으로 결합된 라돈을 보유하는 것으로 보인다고 보고했는데, 크세논과의 유사성은 RnO₃의 형성을 시사했지만 이를 확인할 수 없었다.^[28]

라돈의 고급 플루오르화물을 확인하기 어려운 것은 이플루오르화라돈()의 강한 이온성과 RnF⁺에서 라돈의 높은 양전하 때문에 라돈이 2가 상태를 넘어 산화되는 것이 동역학적으로 방해받기 때문일 가능성이 높다. 고급 라돈 플루오르화물을 명확하게 확인하려면 분자의 공간 분리가 필요할 수 있으며, 그중 는 라돈(Rn^IV)의 6p 껍질의 스핀-궤도 분열로 인해 보다 더 안정적일 것으로 예상된다(Rn^IV는 닫힌 껍질 6s6p 배열을 가짐). 따라서 는 사플루오르화크세논()과 유사한 안정성을 가져야 하지만, 는 육플루오르화크세논()보다 훨씬 덜 안정적일 것이다. 정팔면체 분자일 가능성이 높으며, 의 왜곡된 팔면체 구조와는 다르다. 이는 불활성 전자쌍 효과 때문이다.^[29][30] 라돈은 비활성 기체 중에서 상당히 전기 양성이기 때문에 라돈 플루오르화물은 실제로 고도로 플루오린으로 브리지된 구조를 취하고 휘발성이 아닐 수 있다.^[30] 비활성 기체족을 따라 외삽하면 RnO, RnO₂, RnOF₄와 마찬가지로 최초의 화학적으로 안정적인 비활성 기체 염화물인 RnCl₂와 RnCl₄의 존재 가능성도 시사하지만, 아직 발견되지 않았다.^[24]

라돈 카르보닐(RnCO)은 안정적이고 선형 분자 기하를 가질 것으로 예측되었다.^[31] 및 RnXe 분자는 스핀-궤도 결합에 의해 상당히 안정화되는 것으로 나타났다.^[32] 풀러렌 내에 갇힌 라돈은 종양 치료제로 제안되었다.^[33] Xe(VIII)의 존재에도 불구하고, Rn(VIII) 화합물은 존재하는 것으로 주장되지 않았다. 은 화학적으로 매우 불안정해야 한다(XeF₈은 열역학적으로 불안정함). 가장 안정적인 Rn(VIII) 화합물은 과크세논산바륨과 유사한 과라도네이트바륨(Ba₂RnO₆)일 것으로 예측된다.^[26] Rn(VIII)의 불안정성은 상대론적인 6s 껍질의 안정화, 즉 불활성 전자쌍 효과 때문이다.^[26]

라돈은 액체 할로겐 플루오르화물인 ClF, , , , 및 과 반응하여 를 형성한다. 할로겐 플루오르화물 용액에서 라돈은 비휘발성이며 RnF⁺ 및 Rn²⁺ 양이온으로 존재한다. 플루오르화물 음이온을 첨가하면 베릴륨(II) 및 알루미늄(III)의 화학과 유사하게 및 착물이 형성된다.^[24] Rn²⁺/Rn 쌍의 표준 전극 전위는 +2.0 V로 추정되었지만,^[34] 수용액에서 안정적인 라돈 이온 또는 화합물이 형성된다는 증거는 없다.^[24]

4. 1. 비활성 기체

4. 2. 화합물

5. 동위원소

라돈에는 안정 동위원소가 없다. 193부터 231까지의 질량수를 가진 39가지의 방사성 동위원소가 확인되었다.^[35][36] 그중 217부터 222까지 여섯 가지는 자연적으로 발생한다. 가장 안정적인 동위원소는 ²²²Rn (반감기 3.82일)이며, 이는 ²²⁶Ra의 붕괴 생성물이고, 후자는 ²³⁸U의 붕괴 생성물이다.^[37] 미량의 (매우 불안정한) 동위원소 ²¹⁸Rn (반감기 약 35 밀리초)도 ²²²Rn의 붕괴 생성물 중 하나이다. 동위원소 ²¹⁶Rn은 자연적으로 존재하는 ²¹⁶Po의 이중 베타 붕괴에 의해 생성될 수 있지만, 에너지적으로 가능함에도 불구하고 이 과정은 관측된 적이 없다.^[38]

반감기가 1시간 이상인 다른 세 가지 라돈 동위원소(²¹¹Rn, ²¹⁰Rn, ²²⁴Rn)는 자연적으로 발생하지 않는다. ²²⁰Rn은 토론(thoron^영어)이라고도 불리며, 가장 안정적인 토륨 동위원소(²³²Th)의 자연 붕괴 생성물이다. 반감기는 55.6초이며 알파 붕괴를 방출한다. 마찬가지로, ²¹⁹Rn은 가장 안정적인 악티늄 동위원소(²²⁷Ac) – 악티논(actinon^영어)이라고 부름 – 에서 유래하며, 반감기가 3.96초인 알파 붕괴 방출체이다.^[35]222Rn은 라듐 및 ²³⁸U 붕괴 사슬에 속하며, 반감기는 3.8235일이다. 그 첫 네 가지 생성물(미미한 붕괴 방식 제외)은 매우 반감기가 짧아, 해당 붕괴는 초기 라돈 분포를 나타낸다. 붕괴 과정은 다음과 같다.^[35]

• ²²²Rn, 3.82일, 알파 붕괴하여…
• ²¹⁸Po, 3.10분, 알파 붕괴하여…
• ²¹⁴Pb, 26.8분, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁴Bi, 19.9분, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁴Po, 0.1643 ms, 알파 붕괴하여…
• ²¹⁰Pb, 반감기가 훨씬 긴 22.3년, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁰Bi, 5.013일, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁰Po, 138.376일, 알파 붕괴하여…
• ²⁰⁶Pb, 안정적.

5. 1. 주요 동위원소

• ²²²Rn, 3.82일, 알파 붕괴하여…
• ²¹⁸Po, 3.10분, 알파 붕괴하여…
• ²¹⁴Pb, 26.8분, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁴Bi, 19.9분, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁴Po, 0.1643 ms, 알파 붕괴하여…
• ²¹⁰Pb, 반감기가 훨씬 긴 22.3년, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁰Bi, 5.013일, 베타 붕괴하여…
• ²¹⁰Po, 138.376일, 알파 붕괴하여…
• ²⁰⁶Pb, 안정적.

5. 2. 토론과 악티논

6. 발생

라돈의 모핵종인 우라늄은 지하 깊은 곳에 있으며 마그마의 상승과 함께 지표로 운반된다. 마그마가 비교적 천천히 굳으면, 화강암에서 볼 수 있듯이 장석, 석영, 운모의 결정이 크게 성장한다. 그 결과 우라늄 등 다른 원소 성분은 결정 사이의 틈으로 밀려난다. 풍화에 의해 결정 사이의 우라늄이 암석에서 방출되고, 하천 상류 등 산화 환경에서 물에 녹기 쉬운 우라닐착물로서 물에 의해 운반된다. 수중 우라늄은 선상지나 단층 등 하천수가 지하수화하기 쉬운 환원 환경에서 퇴적층에 반복적으로 농집되어 우라늄, 라듐, 라돈 농도가 높은 지층이 형성된다.

6. 1. 자연 발생

6. 2. 건물 내 발생

6. 3. 대한민국 내 발생

7. 위험성

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라돈은 우라늄, 토륨에서 발생하며 건물의 미세한 균열이나 노출된 지표면을 통해 건물 내부, 특히 지하에서 발견될 수 있다.^[217] 공기보다 무거워 환기가 잘 안 되는 곳에 축적되며, 고농도의 라돈은 폐암의 주요 원인이 된다.^[217] 특히 비흡연자의 폐암 발생 제1원인으로 추정되며,^[217] 북미, 서구권에서는 실내 라돈 환경 기준치를 설정하여 규제하고 관련 산업도 활발하다.^[217]

최근 대한민국에서도 건축 자재 및 일부 생활 제품에서 기준치 이상의 라돈이 검출되고 있으며, 비흡연자의 폐암 발생률 증가와 관련이 있다.^[217] 고층 건물에서도 라돈이 검출되는데, 이는 라돈 함유 자재 사용 때문이다.^[217] 신축 콘크리트 건축물에서도 라돈이 기준치 이상 검출되고 있다.^[217] 실내 라돈 축적을 줄이려면 외부 환기를 자주 해야 한다.

주방 가스렌지가 비흡연자 폐암 발생률 증가의 원인으로 지목되기도 했으나, 이는 잘못된 사실이며 흡연 다음으로 라돈이 주택 내 폐암의 주요 원인일 확률이 매우 높다. 대한민국은 지질학적 특성상 라돈에 매우 취약한 국가로 분류된다.

국제암연구소는 라돈 붕괴 생성물을 인체 발암성 물질로 분류했으며,^[123] 라돈 노출은 폐암과 연관된다.^{[124][125][126][127]} 1940~50년대 우라늄 광산 등에서 환기 시설 미비로 광부들의 폐암 발생이 증가했으며,^[124][127] 1970년대까지 직업병 위험이 제대로 관리되지 않았다.^[127] 일부 사업가들은 폐쇄된 우라늄 광산을 일반인에게 개방하고 라돈 가스 흡입의 건강상 이점을 광고했으나,^[128] 1975년 정부는 이를 금지했다.^[129]

7. 1. 폐암 유발

7. 2. 대한민국 내 위험성

7. 3. 흡연과의 관계

8. 측정 및 저감

라돈 가스 측정은 비교적 간단하게 할 수 있다. 시중에서 라돈 측정 장치를 구입할 수 있으며, 디지털 라돈 측정기는 지속적인 측정을 통해 매일, 매주, 단기 및 장기 평균치를 디지털 디스플레이에 표시한다.^[146] 초기 선별 목적으로 사용되는 단기 라돈 측정 장치는 저렴하며, 경우에 따라 무료로 제공되기도 한다.^[146] 단기 라돈 측정 키트에는 사용자가 집의 가장 낮은 층에 2~7일 동안 걸어 두는 수집기가 포함되어 있으며, 측정 후에는 실험실로 보내 분석한다.^[146] 최대 1년 이상 사용하는 장기 키트도 있다.^[146] 개방된 토지용 측정 키트는 공사 시작 전 토지에서 방출되는 라돈을 측정할 수 있다.^[146]

라돈 농도는 매일 변할 수 있으며, 정확한 라돈 노출량을 추정하려면 장기간 측정이 필요하다.^[171] 일시적인 기상 조건 등으로 라돈 수준은 자연적으로 변동하므로, 초기 측정만으로는 평균 라돈 수준을 정확하게 평가하기 어렵다.^[73] 높은 결과(4 pCi/L 초과)가 나오면 더 비용이 많이 드는 저감 프로젝트를 시작하기 전에 측정을 반복해야 한다.^[146] 4~10 pCi/L는 장기간 측정이 필요하며, 10 pCi/L를 초과하는 경우 저감 조치가 지연되지 않도록 단기 측정을 다시 수행해야 한다.^[146] 미국 환경보호청(EPA)은 판매자가 라돈을 4 pCi/L 이하로 저감하지 않은 경우 부동산 구매를 연기하거나 거절하도록 권고한다.^[146]

라돈의 반감기는 3.8일로 짧아, 근원을 제거하거나 차단하면 몇 주 안에 위험이 크게 줄어든다. 환기율이 감소하면 실내 라돈 농도가 증가하는 경향이 있으므로,^[2] 환기를 개선하는 것도 라돈 수준을 줄이는 방법 중 하나이다.^[2] 환기가 잘 되는 곳에서는 라돈 농도가 실외 값(일반적으로 10 Bq/m³, 1~100 Bq/m³ 범위)과 유사하다.^[146]

주택에 축적되는 라돈을 줄이는 방법은 다음과 같다:^[146][172]

• 바닥 아래 환기를 증가시켜 바닥 아래 감압(토양 흡입)
• 주택 환기 개선 및 지하실에서 거실로 라돈 이동 방지
• 지하실에 라돈 집수 시스템 설치
• 양압 환기 또는 양압 공급 환기 시스템 설치

• ''Q'': 공기 중 라돈 농도 [Bq/m³]
• ''K'': 선량환산계수 (9×10⁻⁶ mSv/(Bq h/m³))
• ''T'': 체류 기간 (연간 체류율 0.8 적용, 0.8×8760 h/년)
• ''F'': 라돈 붕괴 생성 핵종의 라돈에 대한 잠재적 알파 에너지 비율 (실내 값 0.4)

8. 1. 측정 방법

• 바닥 아래 환기를 증가시켜 바닥 아래 감압(토양 흡입)
• 주택 환기 개선 및 지하실에서 거실로 라돈 이동 방지
• 지하실에 라돈 집수 시스템 설치
• 양압 환기 또는 양압 공급 환기 시스템 설치

• ''Q'': 공기 중 라돈 농도 [Bq/m³]
• ''K'': 선량환산계수 (9×10⁻⁶ mSv/(Bq h/m³))
• ''T'': 체류 기간 (연간 체류율 0.8 적용, 0.8×8760 h/년)
• ''F'': 라돈 붕괴 생성 핵종의 라돈에 대한 잠재적 알파 에너지 비율 (실내 값 0.4)

8. 2. 대한민국 내 측정 현황

8. 3. 저감 방법

• 바닥 아래 환기를 통한 감압(토양 흡입)
• 주택 환기 개선 및 지하실에서 라돈 이동 방지
• 지하실 내 라돈 집수 시스템 설치
• 양압 환기 시스템 설치

8. 4. 대한민국 내 저감 정책

9. 응용

라돈은 과거에 방사선원(방사성동위원소)으로 이용되었으나, 현재는 코발트, 스트론튬 등 다른 물질로 대체되고 있다.

지하수 중 라돈 조사는, 파헤치기 어려운 지하 구조를 아는 데 중요하다. 라돈의 확산 속도 및 지하수의 수직 이동 속도에 비해 라돈의 반감기가 짧기 때문에 지층 단위로 다른 라돈 농도를 반영하기 쉽다. 짧은 시간 척도에서 물의 추적자로서의 이용이 있다. 지진의 전조 현상으로서의 지하수 라돈 농도 변화^[194]는 1970년대부터 많이 보고되었으나, 그 기전은 아직 충분히 밝혀지지 않았다.

보건 측면에서는, 라돈은 기체로서 호흡기에 흡입되고, 그 딸핵종이 폐포에 부착됨으로써 우라늄광산 노동자 등에게 방사선 장애를 일으키기 쉽다. 일반 대중의 발암 위험으로는, 돌로 지은 집, 지하실 등의 공기 중 라돈 농도 조사가 중요하다.

라돈에 의한 체내 피폭량은 일본 평균이 연간 0.4 mSv, 세계 평균이 연간 1.28 mSv라고 한다.^{[195][196][197]}

9. 1. 의료

9. 2. 과학적 이용

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