방사화학

1. 개요

방사화학은 방사성 동위원소의 화학적 성질, 핵 붕괴에 따른 화학적 효과, 방사성 동위원소의 이용 및 방사능과 관련된 화학적 문제를 연구하는 학문이다. 주요 붕괴 방식으로는 알파, 베타, 감마 방사선 방출이 있으며, 방사성 핵종 연구, 활성화 분석, 생물학적 응용, 환경 화학 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히, 방사성 동위원소를 이용하여 물질의 구성 성분을 분석하거나, 생체 내 물질의 대사 과정을 추적하는 데 사용된다.

2. 주요 붕괴 방식

모든 방사성 동위원소는 화학 원소의 불안정한 동위 원소로, 핵 붕괴를 겪으며 일종의 방사선을 방출한다. 방출되는 방사선에는 알파 입자, 베타 입자, 감마선, 양성자, 중성자 방출, 중성미자 및 반입자 방출 붕괴 경로 등이 있다.

1. α (알파) 방사선 - 원자핵에서 알파 입자(양성자 2개와 중성자 2개)가 방출되는 현상이다. 이 경우, 원자의 질량수는 4만큼 감소하고 원자 번호는 2만큼 감소한다.
2. β (베타) 방사선 - 중성자가 전자와 양성자로 핵 변환되는 현상이다. 이 현상이 발생하면 전자는 핵에서 전자 구름으로 방출된다.
3. γ (감마) 방사선 - 원자핵에서 전자기 에너지(감마선)가 방출되는 현상이다. 이는 일반적으로 알파 또는 베타 방사성 붕괴 중에 발생한다.

이 세 가지 유형의 방사선은 침투력의 차이로 구별할 수 있다.

알파 방사선은 공기 몇 센티미터나 종이 한 장으로 쉽게 차단할 수 있으며 헬륨 핵과 같다. 베타 방사선은 몇 밀리미터 두께의 알루미늄 시트로 차단할 수 있으며 전자로 구성된다. 감마선은 이 세 가지 중 가장 침투력이 강하며 질량이 없고 전하가 없는 고에너지 광자이다. 감마선은 강도를 줄이기 위해 상당량의 중금속 방사선 차폐(일반적으로 납 또는 바륨 기반)가 필요하다.

3. 연구 분야

방사화학은 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 주요 연구 대상은 다음과 같다.

* 천연 방사성 핵종의 분포와 변화
* 인공 방사성 핵종 및 화합물 제조
* 방사성 화합물 합성
* 화학 반응을 이용한 방사성 동위 원소 분리 및 정제
* 정제된 방사성 동위 원소를 포함한 화합물의 화학적 성질
* 방사성 붕괴에 따르는 화학적 효과
* 방사성 동위 원소 이용
* 방사능 관련 화학적 문제

중성자를 이용해 물질을 방사화시켜 방출되는 방사선을 분석하여 물질의 구성 성분을 알아내는 방법을 중성자 활성화 분석(NAA)이라고 한다. 안정된 핵종을 방사화하여 생성된 방사성 핵종의 붕괴를 관측함으로써 간접적으로 원래의 원소를 확인할 수 있다.

방사성 동위원소는 생체 내 물질의 대사 과정, DNA 연구, 세포 내 물질의 거동 등을 추적하고 연구하는 데 사용된다.

환경 화학은 환경 내 방사성 동위원소의 기원, 거동, 이동, 생물학적 영향 등을 연구한다.

Radiation chemistry^영어은 방사선의 에너지에 의한 분자나 원자의 화학적 상태 변화(이온화, 여기, 결합 절단 등)를 이용하여 화학 반응을 연구하는 것으로, 방사화학과 전혀 다른 분야이다.

3.1. 방사성 핵종 연구

자연에 존재하는 방사성 핵종의 분포와 변화, 인공적인 방사성 핵종 및 화합물 제조, 방사성 화합물의 합성, 방사성 동위 원소의 분리 및 정제, 방사성 붕괴에 따르는 화학적 효과, 방사성 동위 원소 이용 등이 연구 대상이다. 방사성 핵종은 붕괴를 통해 더 안정적인 핵종으로 변하거나, 방사선 조사를 통한 방사화로 핵 반응을 일으켜 다른 원소로 변화(핵 변환)한다. 어떤 핵종이 어떤 확률(반감기)과 비율로 방사성 붕괴를 일으키는지, 또는 어떤 핵종에 어떤 방사선을 조사하면 어떤 핵종으로 변하는지 등에는 법칙성이 있다. 붕괴 시 발생하는 방사선(베타선, 감마선)도 핵종마다 정해진 범위의 에너지를 가진다. 역사적으로 이러한 핵 변환 법칙을 실험적으로 결정했으며, 환경 중의 방사성 동위원소의 분포, 기원, 순환 등의 거동이 연구 대상이 되었다. 현대에는 인공 방사성 동위원소의 제조 및 연구와 극미량 원자에 대한 조사 등도 포함된다. 안정 핵종을 방사화하여 생성된 방사성 핵종의 붕괴를 관측함으로써 간접적으로 원래의 원소를 확인할 수 있는데, 이것이 방사화 분석의 기초가 된다.

3.2. 활성화 분석

중성자를 이용해 물질을 방사화시켜 방출되는 방사선을 분석하여 물질의 구성 성분을 알아내는 방법을 중성자 활성화 분석(NAA)이라고 한다. 안정된 핵종을 방사화하여 생성된 방사성 핵종의 붕괴를 관측함으로써 간접적으로 원래의 원소를 확인할 수 있다.

검출 감도는 보통 10^-8 [g/g] 이하로 매우 낮아, 미량이라도 여러 원소를 동시에 분석할 수 있으며, 비파괴 검사도 가능하다. 분석화학에서 문제가 되는, 화학적 성질이 비슷한 원소들의 방해를 받지 않는다는 특징이 있지만, 대규모 설비가 필요하다.

특히 열중성자를 이용한 중성자 방사화 분석은 물질을 관통하는 성질이 강해 시료 자체의 영향을 적게 받아 정밀도가 높지만, 원자로와 같이 강력한 중성자원과 매우 엄중한 차폐가 필요하다.

시료의 상태와 대상 핵종에 따라 분쇄나 추출 등의 전처리를 실시하여 방사화한다. 방사화 후 후처리를 하는 경우도 있다. 이후 붕괴에 의한 방사선을 관측하는데, 충분한 정밀도를 얻기 위해서는 농도가 낮을수록, 반감기가 길수록 시간이 오래 걸린다.

예를 들어, 우라늄, 코발트, 나트륨을 동시에 분석한 경우, 나트륨-24(반감기 15시간), 우라늄-239(반감기 2.9일)에서 생성된 넵투늄-239(반감기 22분), 코발트-60(반감기 5.3년)의 방사선이 순서대로 관측된다.

나폴레옹의 머리카락을 방사화 분석한 결과 비소에 의한 독살설이 제기된 사례가 있다.

3.3. 생물학적 응용

방사성 동위원소는 생체 내 물질의 대사 과정, DNA 연구, 세포 내 물질의 거동 등을 추적하고 연구하는 데 사용된다.

생물학적 응용 분야 중 하나는 방사성 인-32를 사용하여 DNA를 연구하는 것이다. 이러한 실험에서 안정적인 인은 화학적으로 동일한 방사성 P-32로 대체되며, 결과적인 방사능은 분자와 그 행동을 분석하는 데 사용된다. DNA의 염기 서열을 결정하는 연구의 경우, 뉴클레오티드를 구성하는 인산의 인을 방사성 인 32로 대체한다.

동위 원소는 생화학적으로 동일한 성질을 가지므로, 생체 내 물질 분자의 일부 원자를 방사성 동위 원소로 대체한 인공 물질을 세포에 투여하면 천연 물질과 동일한 대사를 받는다. 그 방사선을 관측함으로써, 세포 내 물질의 거동을 추적할 수 있다. 어떤 물질(추적자, 마커)의 어떤 위치를 방사성 동위 원소로 대체(표지, 라벨)할지는 목적에 따라 달라진다. 단, 미세한 무게 차이가 발생하므로, 반응 등에 약간의 차이가 나타나는 것을 고려할 필요가 있다.

생물이 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄과 같은 원소의 메틸화에 대해 수행한 연구에서, 박테리아가 이러한 원소를 휘발성 화합물로 전환하는 것을 검증하기 위해 각 원소의 동위 원소가 사용되었다. 메틸코발라민 (비타민 B₁₂)이 이러한 원소를 알킬화하여 디메틸을 생성하는 것으로 생각된다. 코발록심과 무기 폴로늄을 멸균 수용액에 혼합하면 휘발성 폴로늄 화합물이 형성되는 반면, 코발트 화합물이 포함되지 않은 대조 실험에서는 휘발성 폴로늄 화합물이 형성되지 않는 것으로 나타났다. 황 연구에는 동위원소 ³⁵S가 사용되었고, 폴로늄 연구에는 ²⁰⁷Po가 사용되었다. 박테리아 배양액에 ⁵⁷Co를 첨가하고 박테리아에서 코발라민을 분리한 다음 분리된 코발라민의 방사능을 측정하여 박테리아가 이용 가능한 코발트를 메틸코발라민으로 전환한다는 것을 보여주는 관련 연구도 있었다.

의학에서는 PET (양전자 방출 단층 촬영) 스캔이 진단 목적으로 널리 사용된다. 방사성 추적자가 환자에게 정맥 주사된 후 PET 기계로 옮겨진다. 방사성 추적자는 환자 밖으로 방사선을 방출하고 기계의 카메라는 추적자에서 나오는 방사선을 해석한다. PET 스캔 기계는 높은 검출 효율성 때문에 고체 섬광 검출을 사용하며, NaI(Tl) 결정은 추적자의 방사선을 흡수하고 기계가 분석할 전기 신호로 변환되는 광자를 생성한다.

3.4. 환경 화학

환경 화학은 환경 내 방사성 동위원소의 기원, 거동, 이동, 생물학적 영향 등을 연구한다.

환경에서 측정되는 방사성 동위원소는 자연 현상과 인간 활동에 의한 것으로, 그 기원과 거동이 연구, 조사되고 있다.

환경 방사선 중 자연 방사선의 일부를 차지하는 토양 유래 방사선원으로서, IAEA는 주로 4종류의 방사성 동위원소가 토양 1kg당 ⁴⁰K^영어 (100~700Bq), ²²⁶Ra^영어 (10~50Bq), ²³⁸U^영어 (10~50Bq), ²³²Th^영어 (7~50Bq) 포함되어 있다고 한다.

대기 중에는 {{lang나 {{lang 등이 우주선에 의한 핵 파괴에 의해 항상 생성된다. 또한 지각 중의 {{lang 붕괴에 의한 {{lang은 암반을 투과하여 대기 중에 확산되며, 물에 녹기 때문에 음료수에도 혼입된다.

인간에 의한 방사성 동위원소 방출은 핵실험이나 원자력 사고뿐만 아니라, 광공업을 비롯한 많은 산업에서 발생하고 있다.

환경 중의 방사성 동위원소는 다양한 요인으로 체류, 이동한다. 예를 들어, 산불이나 초원 화재는 방사성 동위원소를 다시 이동 가능하게 만들 수 있다. 체르노빌 주변의 출입 금지 구역에서 화재를 일으켜 바람 아래쪽 대기의 방사능을 측정하는 실험을 통해 이러한 현상을 검증하기도 했다.

일반적으로 중금속은 여러 산화수를 가지는데, 악티늄족 원소인 우라늄은 +3에서 +6, 플루토늄은 +3에서 +7까지의 산화수를 가질 수 있다. 이 때문에 하나의 용액 속에서 같은 원소가 다양한 산화 상태의 화합물을 만들어 동시에 공존하는 불균등화 반응이 일어날 수 있으며, 이는 환경에서 동위원소를 화합물로 연구하는 것을 어렵게 만든다.

다양한 조건에서 악티늄족이 어떠한 산화수와 배위수를 가지는지에 대한 연구가 진행되고 있으며, 비교적 단순한 착화합물의 용액이나 콜로이드에 대한 연구가 이루어지고 있다. 토양, 암석, 콘크리트는 악티늄족 분석에서 중요하게 고려되는 대상이며, 이들에 포함되어 있을 때의 화학적 특성이 EXAFS나 XANES와 같은 방법으로 연구되었다.

가벼운 원소는 수용성이 높지만, 토양 입자에 흡착되면 토양 내 이동 속도가 크게 감소한다. 그러나 토양 입자가 콜로이드인 경우에는 이동성이 유지된다. {{lang로 표지된 콜로이드 입자가 토양 내에서 이동하는 것이 확인되었다.

일부 박테리아는 악티니드를 포함한 중금속을 대사에 이용한다. 예를 들어, 써모아나에로박터속 미생물은 우라늄을 포함한 여러 중금속 이온(크롬({{lang, 철({{lang, 코발트({{lang, 망간({{lang, 우라늄({{lang)을 전자 수용체로, 아세트산, 글루코스, 수소, 젖산, 피루브산, 호박산, 자일로스를 전자 공여체로 사용하여 대사할 수 있다. 이 과정에서 중금속 이온이 환원되어 자철광(Fe₃O₄^영어), 능철광(FeCO₃^영어), 능망간광(MnCO₃^영어), 섬우라늄광(UO₂^영어) 등의 광물이 침전된다.

맨체스터 대학교의 프랜시스 R. 리벤스 등은 Geobacter sulfurreducens가 우라닐 이온(UO₂^2+영어)을 이산화 우라늄으로 환원하는 기작에 대해, 박테리아가 우라닐 이온을 1전자 환원하여 UO₂^+영어로 만들고, 그 후 불균등화 반응을 통해 우라닐 이온과 이산화 우라늄이 생성된다는 가설을 제시했다. 이는 박테리아가 넵투닐 이온 (NpO₂^2+영어)으로부터 산화 넵투늄을 생성하지 않는다는 관찰 결과에 근거한다.

4. 교육

핵의학 사용 증가, 원자력 발전소의 잠재적 확장, 핵 위협으로부터의 방어 및 과거 수십 년 동안 생성된 핵 폐기물 관리에 대한 우려에도 불구하고, 핵 및 방사화학을 전공하려는 학생 수는 지난 수십 년 동안 현저하게 감소했다. 현재 이 분야의 많은 전문가들이 은퇴 연령에 접어들면서, 이러한 중요한 분야에서 인력 격차를 피하기 위한 조치가 필요하다. 예를 들어, 이러한 직업에 대한 학생들의 관심을 높이고, 대학의 교육 역량을 확대하며, 보다 구체적인 현장 교육을 제공하는 것이다.

핵 및 방사화학(NRC)은 주로 대학 수준, 일반적으로 석사 및 박사 학위 과정에서 가르쳐지고 있다. 유럽에서는 산업 및 사회의 미래 요구에 맞춰 NRC 교육을 조화시키고 준비하기 위한 상당한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 노력은 유럽 원자력 공동체의 7차 프레임워크 프로그램에서 지원하는 조정된 행동 프로젝트인 CINCH-II 프로젝트(핵화학 교육 및 훈련 협력)를 통해 조정되고 있다.