생활 속 원소 이야기 ④ 암 치료·전기 생산하는 동위원소 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (229)

원자번호가 같다면 원소는 모두 같은 것이라 여길 수 있지만, 그 중에서도 화학적 성질이 다른 것을 바로 동위원소라 합니다. 보통 탄소의 방사성 동위원소로 유물이나 토양의 연대를 측정하는 것은 알고 있을 거에요.

동위원소는 암석이나 광물, 화석의 연대를 측정하는 데 쓰이기도 하지만, 방사성 동위원소는 의료와 생명과학 분야에서도 크게 활약하고 있답니다. 동위원소에 대해 알아보겠습니다.

◆원자 번호는 같지만 질량 수가 다른 동위원소

동위원소(同位元素·Isotope)는 원자 번호가 같아 화학적 성질은 같지만 중성자 수가 달라 질량의 수가 차이 나는데요. 원소의 화학적 성질은 양성자와 전자의 수에 의해 결정되는데, 이러한 이유로 동위원소의 화학적인 성질은 원래와 같습니다.

하지만 물리적 성질은 다릅니다. 이는 중성자의 수가 달라 질량의 차이가 발생하기 때문인데요. 따라서 동위 원소는 물리적으로는 다른 성질을 가진다고 할 수 있습니다.

◆같은 원소인데 물리적 성질은 다르다?

질량 수에 따른 수소 이미지. 출처=higheducationhere.com

영국 옥스퍼드대 프레더릭 소디 교수는 1913년 특정 원소에선 원자량은 다르지만 화학적으로 구별할 수도 없고 분리되지도 않는 형태가 존재한다는 것을 밝혀내고, 이를 동위원소라 명명했습니다.

원자 번호가 1번인 수소는 99.9% 이상이 질량 수 1이지만, 0.015% 정도는 질량 수가 2인 중소수이며, 나머지는 질량 수 3인 삼중수소로 존재합니다. 천연 원소 90여종에는 약 300여종의 동위원소가 있으며, 주석(Sn)은 무려 동위원소 10개를 가지고 있습니다.

◆동위원소 부서지거나 부서지지 않거나~

자연에 존재하는 원소는 대부분 방사선을 내는 동위원소가 있는데요. 원소는 시간이 지나면 저절로 부서져 다른 원소로 바뀌기도 합니다. 이때 방사선을 방출하면서 부서지는데, 이를 방사성 동위원소라 합니다.

반면에 부서지지 않는 것은 ‘안정 동위원소’라 합니다. 300여종의 원소 중 약 80개 만이 안정 동위원소가 있으며, 대표적으로 주석과 제논, 루테늄, 바륨, 수은 등이 있습니다.

◆방사선을 방출하는 방사성 동위원소

방사성 동위원소는 이렇게 자연적으로 만들어지기도 하고 인공적으로 합성되기도 합니다. 원소 종류에 따라 부서지는 방식이 다르고, 어떤 방사선을 쪼이느냐에 따라 특유의 에너지를 갖기 때문에 검출기를 이용한다면 방사성 동위원소의 종류와 양을 알 수 있습니다.

이러한 방사성 동위원소는 방사선이 물질을 투과할 때 일으키는 작용이 다르다는 특성을 이용해 의학과 농학, 공학 등의 연구에 사용되고 있습니다.

◆방사성 폐기물………로 5700년 쓰는 다이아몬드 전지 개발

방사성 폐기물은 오염 물질이지만, 그 안에 존재하는 방사성 동위원소는 활용할 수 있는 곳이 무궁무진합니다. 영국 브리스톨대는 폐기물에 존재하는 방사성 동위원소 탄소 14(C-14·반감기 약 5700년)를 이용해 수천년간 활용할 수 있는 초장기 원자력 전지에 대해 보고한 바 있습니다.

이 기술은 방사성 물질을 인공 다이아몬드로 캡슐화하는 것인데요. 기존 전지와 비교했을 때 전력은 다소 떨어지지만, 수명의 50%를 소모하려면 5730년이 걸린다고 합니다. 연구팀은 현재 버클리 원자력 발전소의 방사성 폐기물을 재활용하고 다이아몬드 전지를 만드는 방안을 계획 중이라고 합니다.

이렇게 폐기물에 존재하는 방사성 동위원소를 분리 추출하면 의료용 전원이나 우주탐사, 국방 분야 등에 이용할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

◆생명과학부터 전기 생산까지…동위원소의 활약