원자핵과 동위원소 이해하기

원자력 발전을 알아보기에 앞서 원자력이란 무엇인지 기본 용어와 개념을 알아본다.

1. 원자핵(Nucleus)

모든 원소의 원자(Atom)는 양자(Proton)와 중성자(Neutron)로 구성되는 원자핵과 주위를 돌고 있는 전자(Electron)로 구성되어 있다. 양자는 양전하를 가진 입자이고 중성자는 전기적으로 중성이며, 전자는 음전하를 가지고 있어 양자와 전자가 동수일 때 그 원자는 전기적으로 중성을 띠게 된다.

양자와 중성자의 무게는 서로 거의 같으며 이들의 무게는 전자의 1,830배 정도이므로 원자의 무게는 거의 모두가 원자핵에 모여 있는 것이다. 따라서 원자핵의 무게를 그 원자의 무게로 간주해도 좋을 것이다.

원자핵 내의 양자 수를 원자번호라 부르는데 이는 그 원소의 화학적 특성을 정해 준다. 또한 양자와 중성자의 수를 합한 것을 질량수라 부르며 원자핵의 무게로 표시한다.

원자질량 단위는 amu로 표시하는데 질량수 12인 탄소의 질량을 원자질량의 단위로 삼고 있다.

천연에 존재하는 원소는 원자번호 1인 수소로부터 원자번호 92의 우라늄까지 있는데 이 외에도 원자번호가 큰 새로운 인공원소를 포함하면 약 100여 종에 이르고 있다.

이러한 원소들 중 원자번호가 짝수이고 중성자 수도 짝수인 원자핵은 가장 안정하며 이 핵을 이중 짝수핵이라 한다.

2. 동위원소(Isotope)

원소 중에는 양자 수는 같지만 중성자 수가 다른 것들이 많이 있으며 이러한 원소를 동위원소라 부른다.

나트륨이나 알루미늄과 같이 1종의 동위원소만 가진 것이 있는가 하면 수은과 같이 7종의 동위원소가 있는 경우도 있다. 자연 중에는 약 320여 종의 동위원소가 존재한다.

원자번호 1인 수소는 보통 질량수 1인 것이 대부분이지만 질량수가 2인 즉, 양자 1개와 중성자 1개가 있는 중수소가 약 0.015% 정도로 존재하고 있다. 그러므로 수소 2개와 산소 1개로 된 물은 경수라 하고, 중수소 2개와 산소 1개로 된 물은 중수라 부른다.

동위원소 중 특히 방사능을 가진 원소를 방사성 동위원소라 하며 이들은 농업, 공업, 의학 분야에 광범위하게 이용되고 있다.

3. 방사능

원자핵 내에서 양자 상호간에는 쿨롱의 법칙에 따라 배척력이 작용하고 있다. 그러므로 몇 개의 중성자가 양자를 원자핵 내에 결속시키고 있는 힘은 전기적인 힘보다 강한 힘이 아니면 안 되는데 이 힘을 핵력이라 한다.

이처럼 원자핵은 통상 안정된 상태로 존재하지만 자연 중에 존재하는 원소 중에서 원자번호가 84이상인 무거운 원소의 원자핵은 모두 불안정하여 원자핵으로부터 방사선을 방출해가면서 붕괴해가고 있다. 이와 같은 성질을 방사능이라 하며 3종으로 분류할 수 있다.

1) α선

원자핵이 불안정한 상태에서 양자와 중성자를 각각 2개씩 묶은 형태, 즉 헬륨의 원자핵으로 방출된다. 이것이 α선으로 물질을 투과하는 힘이 약해 종이 한 장 정도도 통과하기 어렵다.

2) β선

α선이 방출되면 원자는 원자번호가 둘이 줄고 질량수는 넷이 줄어들게 되며 원자핵 내의 중성자 한 개가 양자로 바뀌고 한 개의 전자가 방출된다. 이것을 β선이라고 한다. 그러므로 원자의 질량수는 변하지 않고 원자번호만 하나 늘게 되는 것이다.

3) γ선

원자핵의 에너지가 여분이 있을 때에는 여분의 에너지가 전자파로 방출된다. 이것을 γ선이라고 하고 원자핵 내의 에너지 상태는 변화하지만 원자번호 및 질량수는 변하지 않는다. γ선은 α선이나 β선을 방출할 때 덤으로 함께 방출되는 경우가 많다. 이렇게 원자핵이 방사선을 방출하면서 다른 원소로 변환되어 가면 시간의 흐름에 따라 원래 원소의 양자수는 점차 감소되어 간다.

원자수가 처음의 반으로 줄어들 때까지 경과되는 시간을 방사성 동위원소의 반감기라 부르며, 원소 중에는 반감기가 수 초 이하의 짧은 것도 있고 수 백년 걸리는 긴 원소도 있다.