동위 원소란 무엇이며, 왜 중요할까요?

양성자는 같고 중성자는 다릅니다

모든 탄소 원자는 양성자가 6개입니다. 그것이 탄소를 탄소답게 만듭니다. 하지만 탄소 원자의 중성자 수가 모두 같지는 않습니다. 대부분은 6개이고, 약 100개 중 하나는 7개이며, 아주 극소수는 8개입니다.

이렇게 서로 다른 형태를 동위 원소라고 부릅니다. 이 말은 '같은 자리'를 뜻하는 그리스어에서 왔는데, 한 원소의 모든 동위 원소가 주기율표에서 한 칸을 함께 쓰기 때문입니다.

중성자는 전하가 없으므로 더하거나 빼도 전자의 수는 변하지 않습니다. 화학은 전자에 달려 있으므로, 한 원소의 동위 원소들은 반응에서 거의 똑같이 행동합니다. 이들의 가장 큰 차이는 질량입니다.

동위 원소의 이름 붙이기

동위 원소의 이름은 원소 이름에 질량수, 즉 양성자와 중성자의 합을 붙여 만듭니다. 탄소-12는 양성자 6개와 중성자 6개, 탄소-13은 양성자 6개와 중성자 7개, 탄소-14는 양성자 6개와 중성자 8개를 가집니다.

과학자들은 ¹²C와 ¹⁴C처럼 질량수를 기호의 왼쪽 위에 쓰기도 합니다. 중성자의 수를 구하려면 질량수에서 원자 번호를 빼면 됩니다. 탄소-14는 14 − 6 = 8입니다.

수소의 동위 원소는 각각 고유한 이름이 있어서 특별합니다. 보통 수소(수소-1)는 중성자가 없고, 중수소(수소-2)는 1개, 삼중수소(수소-3)는 2개를 가집니다.

원자량이 소수인 이유

자연에서 발견되는 대부분의 원소는 동위 원소의 혼합물입니다. 주기율표의 원자량은 그 모든 원자의 평균 질량이며, 각 동위 원소가 얼마나 흔한지에 따라 가중치를 둔 값입니다.

염소가 분명한 예입니다. 염소 원자 4개 중 약 3개는 염소-35이고 약 1개는 염소-37입니다. 평균은 둘 사이에 놓이지만 35에 더 가까운 35.45이며, 이것이 염소의 칸에 적힌 수입니다.

탄소도 마찬가지입니다. 탄소 원자의 약 98.9%는 탄소-12이고 약 1.1%는 탄소-13이므로, 탄소의 원자량은 12보다 조금 큰 12.011입니다.

17Cl염소35.45

안정 동위 원소와 방사성 동위 원소

많은 동위 원소는 안정하여 저절로 변하지 않습니다. 그렇지 않은 것은 방사성입니다. 원자핵이 불안정하여 머지않아 붕괴하면서 방사선을 내놓습니다. 이를 방사성 붕괴라고 하며, 흔히 원자가 다른 원소로 바뀝니다.

탄소-14는 방사성입니다. 붕괴할 때 중성자 하나가 양성자로 바뀌어 원자는 질소-14가 됩니다. 시료의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간을 반감기라고 합니다. 탄소-14의 반감기는 약 5,730년입니다.

안정한 동위 원소가 전혀 없는 원소도 있습니다. 테크네튬(43), 프로메튬(61), 그리고 납(82)보다 무거운 모든 원소는 방사성입니다.

동위 원소의 쓰임

식물은 공기에서 탄소-14를 조금 흡수하고, 동물은 식물을 먹어서 흡수합니다. 생물이 죽으면 더 이상 탄소를 흡수하지 않으며, 몸속 탄소-14는 서서히 붕괴합니다. 남아 있는 양을 측정하면 과학자들은 약 50,000년 전까지의 뼈, 나무, 천의 연대를 알 수 있습니다. 이를 방사성 탄소 연대 측정이라고 합니다.

의사들도 방사성 동위 원소를 사용합니다. 테크네튬-99m은 뼈와 장기의 영상을 얻는 데 도움을 주고, 아이오딘-131은 일부 갑상샘 질환을 치료합니다. 천연 우라늄의 약 0.7%에 불과한 우라늄-235는 대부분의 원자력 발전소의 연료입니다.