안정 동위 원소

소개

안정 동위 원소란 동위원소들 중에서 방사성 붕괴를 하지 않는 동위 원소를 뜻한다. 자연계에는 모두 254개의 안정 동위 원소가 존재한다.

특징

안정 동위 원소들은 방사성 붕괴를 하지 않으므로 변함없이 영원히 존재할 수 있다. 1H부터 208Pb까지 254개가 존재한다. 가장 가벼운 1H(수소-1)는 양성자가 1개, 중성자가 0개이며, 가장 무거운 208Pb(납-208)은 양성자 82개, 중성자 126개이다. 안정 동위 원소는 양성자 1개인 수소가 가장 가볍고, 양성자 82개인 납이 가장 무겁다.

209Bi(비스무트-209)는 양성자 83개, 중성자 126개로 안정하며 독성이 없어 자연계에 노출되어도 문제가 되지 않으며, 다양한 분야에 많이 이용되는 가치 있는 금속이지만 아쉽게도 양성자가 1개 많아서 아주 미미하게 불안정하다. 그렇지만 양성자 1개가 많을 뿐이고, 핵자간 결합에너지도 7.85 MeV로 안정 동위체와 거의 차이나지 않아, 반감기가 1.9 * 10¹⁹년으로 매우 길어 사실상 영원히 존재하므로, 안정동위체로 분류하기도 한다.

다만 양성자 83개도 영원하다고 무방해도 좋지만 분명히 반감기가 존재한다. 이는 양성자가 83개가 넘어가면 중성자가 많이 달라붙어도 양성자의 반발력에 취약해지는 확률이 생기기 때문이며 양성자가 더 많아질수록 더욱더 반발력에 취약해지므로 더욱 더 불안정해진다. 만약에 이러한 반발력을 중화시키기 위해 중성자를 많이 투입하면, 오히려 중성자 과잉 동위체가 되어 붕괴하므로, 이러한 이유로 양성자 83개 이상부터는 안정 동위 원소가 존재하지 않는다.

안정성

칼슘-40까지는 양성자 20개, 중성자 20개로 양성자와 중성자의 수가 동일하지만, 이보다 무거워지면 중성자의 수가 더 많아진다. 양성자는 전하가 +1이므로 쿨롱힘이 존재한다. 따라서 서로를 팅겨내어 붙지 않으려는 반발력이 강해지므로, 원자핵이 무거워지면 중성자의 수가 더 많아져야 이 반발력을 이겨내어 계속 붙어있을 수 있게 된다. 중성자는 전하량이 0이고, 전기적으로 중성이라 양성자처럼 반발력이 존재하지 않고, 양성자의 반발력을 희석시키는 역할을 한다. 따라서 중성자가 많아지면 양성자의 반발력이 희석되어 안정되므로 핵은 영원히 그 모습을 유지할 수 있게 된다.

쿨롱힘은 매우 강해 양성자끼리는 절대로 붙지 않지만, 핵융합을 할 수 있는 태양 질량의 7.5%인 항성 내부에서는 양성자와 양성자가 10^-15m 까지 가까워지게 되면 핵력이 더 강해져, 쿨롱힘을 이기고 양성자끼리 서로 결합할 수 있다. 결합 순간 양성자 하나가 중성자로 붕괴하게 되며, 둘은 질량을 방출하는데, 그와 동시에 서로 글루온이란 입자를 주고 받는다. 이 글루온은 양성자와 중성자를 결합시켜주며, 중성자는 양성자의 반발력을 중화시켜주므로 중성자가 많아질수록 더 거대한 원자핵을 이룰 수 있다.

질량을 많이 방출하면, 글루온을 더 많이 이어줄 수 있으므로 양성자와 중성자는 더욱 더 강해게 결합될 수 있으며 동시에 핵자당 질량도 가벼워진다. 이 강하게 결합된 힘을 핵자간 결합 에너지라고 하는데 62Ni(니켈-62)가 가장 강하다. 62Ni은 결합에너지가 8.7945 MeV이며, 양성자 28개, 중성자 34개로 구성되어 있는데, 핵자당 질량이 가장 가벼운 동위 원소이므로 글루온 결합이 가장 강하게 되어 있으므로 결합 에너지가 가장 높다. 그 다음으로는 철-58, 철-56, 니켈-60, 크로뮴-54 순으로 이어진다.

유일하게 3He(헬륨-3)는 양성자가 2개, 중성자가 1개로 양성자가 더 많다. 양성자가 2개밖에 없으므로 중간에 중성자가 끼어서 반발력을 희석시키므로 안정 동위 원소로 존재가 가능하다.

분류

안정 동위 원소는 254개지만, 이론상으로 안정된 동위 원소는 90개이다. 나머지 165개는 이론상으로 붕괴될 수 있는 동위체이다. 보통 92Zr까지이며 93Nb부터는 불안정 요소가 존재한다.

따라서 93Nb부터는 관측상 안정 동위 원소라고 분류하며, 계속 관측하고 있다. 다만 이들은 매우 안정되어 있고, 이론적으로 붕괴할 수 있지만, 실제로는 붕괴할 요소는 없다고 안정되어 있다.

예를 들어 보자. 거대한 산에 눈이 많이 쌓여 있다. 눈이 많이 쌓이면 산사태가 일어나는데 이 산사태를 방사성 붕괴라고 하자. 수백m의 많은 눈이 쌓여 산사태가 일어나는 산은 반감기가 수분에서 십만년 이내에 이르는 방사성 동위 원소이다. 눈이 수m쌓여 있어 쉽게 산사태는 일어나지 않지만, 강한 바람이나 기타 자연적 요소로 주기적으로 산사태가 일어나는 산은 238U, 232Th가 같은 어느 정도 긴 반감기를 가진 방사성 동위체이다. 눈은 수십cm 쌓여 있어 미세한 산사태가 일어날 수 있는 산은 190Pt, 147Sm과 같은 반감기가 수천억년에 이르는 동위체이며, 수cm 쌓여 있어서 극도로 미세한 산사태가 일어날 수 있는 산은 113Cd, 148Sm같은 반감기가 수천조년에 이르는 동위체이다. 하지만 수mm 아주 약간의 서리가 쌓여 있어 영원히 산사태가 일어나지 않을 것 같지만, 영원한 세월만큼의 희귀한 확률로 마이크로급 산사태가 날 수도 있는데, 이러한 동위체는 극도로 긴 반감기를 가진 동위체로 예를 들어 209Bi(1.9 * 10¹⁹년)나 128Te(2.2 * 10²⁴년)의 영원과 동일한 반감기를 가진 동위체이다.

하지만 현미경으로도 관측하기 어려운 서리가 쌓여 있는 산이라면 어떨까? 이러한 서리라면 아주 약간의 바람이라도 불면 날아가게 될 것이다. 절대로 산사태가 일어나지 않는다. 내부에 이론적으로 붕괴할 요소가 있더라도 그 핵 자체의 안정성으로 붕괴할 요소마저도 안정화할 수 있다. 이렇게 되면 영원히 산사태가 일어나지 않는다. 바로 이러한 동위체가 93Nb부터 208Pb에 이르는 안정 동위체들이다.

즉 이론과 다르게 실제로는 안정동위체들 중 가장 무거운 208Pb조차도 붕괴되는 모습이 관측되지도 않았고, 또한 이론과 다르게 실제로도 208Pb는 붕괴하지 않을 것이다.

다만 현재는 안정 동위 원소의 지위를 유지하고 있지만, 이러한 안정 동위체의 조건에 벗어나는 몇몇 동위체인 124Xe, 134Xe, 180m1Ta, 184Os은 실제로도 붕괴가 가능한 것으로 여겨져 특별히 관심있게 주시하고 있다. 이들은 반감기도 매우 길며, 자연계에 소량 존재하여 시료를 많이 채취하는 것이 어려워 관측이 잘 안되어, 아직도 안정 동위 원소의 지위를 유지하고 있다. 다량으로 관측할수록 붕괴를 측정하기 용이하지만 이렇게 시료가 적은 동위체들은 관측장비의 발전에 기대할 수밖에 없다.

하지만 실제로 붕괴가 가능한 것으로 여겨서 특별히 관심있게 관측했더니 붕괴가 관측된 동위체들이 있다. 예를 들어 82Se, 96Zr, 116Cd, 128Te, 130Te, 130Ba, 136Xe, 151Eu, 209Bi가 있으며, 이들은 원시 동위 원소라고 불리기도 한다. 이러한 동위체들은 시료가 충분한 이유가 있었지만, 그래도 관측을 성공했다는 예가 있으므로, 현재는 안정동위체의 지위를 유지하고 있지만, 실제로 붕괴할 것으로 예상되는 몇몇 동위체들의 붕괴가 발견될 수 있으므로, 지금도 계속 관측중이다.