동위 원소

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1 소개[편집]

동위 원소란 원자번호가 동일한 원소로써 양성자의 수는 같으나 중성자의 수는 달라서 질량이 다른 동일한 원소를 뜻한다. 자연계에 존재하는 안정 동위 원소와 방사성 동위 원소, 그리고 핵반응이나 우주선으로 합성되어 잠깐 존재했다가 사라지는 동위 원소들과 인공적으로 합성한 방사성 동위 원소들까지 모두 포함시키기도 한다.

2 특징[편집]

동위 원소는 양성자와 전자의 수는 같으나 중성자의 수가 다르므로 질량이 다른 동일한 원소를 뜻한다. 즉 양성자와 전자의 갯수는 같으나 중성자의 수가 다른 동위체가 자연계에 많이 존재한다. 핵자의 경우는 양성자의 수와 중성자의 수만을 비교하지만 동위 원소는 양성자와 전자의 수까지 포함하여 중성자의 수와 비교한다는 점에서 핵자랑 비교된다.(어차피 원자내에서 양성자와 전자의 수는 동일하지만, 동위 원소는 물질의 성질을 담당하는 역할을 하는 전자를 포함한다는 점은 매우 중요하다.) 즉 핵자는 단순히 원자핵만 놓고 비교한다면, 동위 원소는 물질의 특성과 성질, 화학적 성질까지도 고려한 그 물질의 자체까지 포함한다는 점이다.

따라서 같은 원소라도 동위 원소에 따라 서로 고유한 질량이 존재한다.

예를 들어 수소라고 1H(경수소), 2H(중수소)가 자연계에 천연으로 존재한다. 이 둘은 같은 수소지만 중수소가 경수소보다 2배나 더 무겁다. 2배나 무거워 중수소와 경수소와는 화학적으로 많은 차이가 생긴다. 핵반응이나 우주선으로 또는 인공적으로 만들어진 방사성 동위 원소인 3H(삼중수소)는 경수소보다 3배나 무겁다.

주석은 안정 동위체가 10개나 존재하며, 제논(크세논)도 8개나 존재한다.

이렇게 같은 원소라도 질량이 다르니, 동위 원소별로 서로 분리가 가능하게 된다. 예를 들어 같은 이라도 자연계에 존재하는 일반철의 밀도는 7.857g/cm^3이지만, 가장 가벼운 안정 동위 원소인 철-54의 밀도는 7.588g/cm^3이며, 가장 무거운 안정 동위 원소인 철-58의 밀도는 8.149g/cm^3로 같은 철이라도 많은 차이가 난다.

같은 철이라도 무거운 철-58을 농축해서 만든 재료는 크기는 작지만 묵직하고, 가벼운 철-54를 농축해서 만든 재료는 가볍고 강도와 성질은 동일하게 된다.

이렇게 같은 원소이지만 동위 원소에 따라 질량이 다르다. 이러한 특성 덕분에 동위원소끼리 따로 분리할 때는 화학적으로는 분리가 불가능하며, 원심분리기와 같이 물리적인 성질 차이를 이용해서 분리해 내게 된다.

3 분류[편집]

3.1 안정 동위 원소[편집]

안정 동위 원소는 붕괴하지 않고 영원히 존재하므로, 그 상태로 영원히 그 모습을 유지한다. 1H부터 208Pb까지 254개의 안정 동위 원소가 있으며, 자연계의 원소는 하나의 원소가 여러 개의 동위 원소를 포함하고 있으며, 모두 균일하게 섞여 있으므로 이것을 모두 합한 평균치로 동위 원소의 원자량을 계산하고 있다. 예를 들어 티타늄은 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti의 5개의 동위 원소가 존재하고 있는데 자연계에 채취한 티타늄의 원자량은 47.867로 이 5개의 동위 원소가 모두 균일하게 섞여 있다.

지구상의 모든 안정 동위 원소들은 모두 다 균일하게 섞여 있으며, 주석의 경우 10개의 안정동위체가 존재하며, 나이오븀의 경우 1개의 동위체만 가지고 있는 원소도 많이 존재한다.

3.2 방사성 동위 원소[편집]

방사성 붕괴를 하는 동위 원소로 반감기가 수분 혹은 수십일 이내의 방사성 동위 원소들은 열과 빛, 방사선을 뿜어내면서 붕괴하여 다른 원소로 붕괴한다. 예를 들어 60Co은 60Ni으로 붕괴하면서 본래는 코발트였으나 방사성 붕괴를 하면서 아예 니켈로 변화된다는 점이고 반감기가 5.27138년이므로 붕괴하면서 코발트가 니켈로 변화되는 모습도 관측이 가능하다.

3.3 원시 동위 원소[편집]

반감기 8000만년 이상의 매우 긴 반감기를 가진 동위 원소를 뜻한다. 이 동위체에서는 209Bi, 128Te, 136Xe처럼 반감기가 영원과 동일하여 사실상 안정 동위 원소로 취급되는 동위 원소들까지도 포함하고 있다. 반감기가 길어 지구 초기부터 지금까지 자연계에 존재하고 있다는 특성이 있다.

4 각주