[ Isotope ]
동위원소(同位元素, Isotope)란 양성자수가 동일하여 같은 원소이나 중성자수가 다르기 때문에 질량이 다른 원소를 일컫는다. 동위원소라는 용어는 그리스어로 "같은 장소"를 의미하는 "ἴσος τόπος"에서 유래하였다. 1913년 영국의 화학자 프레드릭 소디가 그 개념을 제안하였고 동위원소라 명칭 하였다(Soddy, 1913). 서로 다른 동위원소는 주기율표상에서 같은 위치의 단일 원소로 표시되게 된다.
원자 핵 내의 양성자수는 원자번호라고도 불리며 중성(비이온화)원자의 경우에는 양성자수와 전자의 수가 동일하다. 각 원소의 원자는 넓은 범위의 중성자 수를 가질 수 있다. 핵 내의 핵자(양성자와 중성자 모두)의 합은 원자의 질량이며, 주어진 원소의 각 동위원소들은 중성자수의 차이로 인해 다른 질량수를 갖게 되는 것이다(그림 1).
예를 들어, 탄소는 질량이 각각 12, 13, 14인 세 종류의 동위원소(12C와 13C, 14C)가 존재한다. 탄소의 원자번호는 6이므로 모든 탄소 원자들이 6개의 양성자를 가지지만, 이들 세 동위원소의 중성자 수는 각각 6, 7, 8 이므로 위처럼 다른 질량을 가지는 것이다.
원자가 어떻게 작용하는지는 전자 구조에 의해 결정되기 때문에 동위원소는 화학적으로 거의 동일한 특성을 가지지만 질량이 다르므로 인해 물리적 특성에서 차이를 보이게 된다.
더 무거운 동위원소는 같은 원소의 상대적으로 가벼운 동위원소보다 화학적으로 느리게 반응한다. 이러한 것을 질량효과(mass effect)라 부르는데, 특히 수소(1H)와 중수소(2H)에서 크게 나타난다. 중수소의 경우 수소에 대하여 두 배 무거운 질량을 가지기 때문이다. 무거운 원소 일수록 동위원소 간의 상대적 질량차이가 작아지므로, 질량효과도 함께 작아지는 경향을 가진다.
양성자의 수가 다른 원소이지만 핵자의 합이 같아 질량수가 동일한 원자를 이성질체(Isomer) 혹은 이성핵이라고 부른다.
그림 1. 수소가 가지는 세 가지의 자연 발생적 동위원소: 각 동위원소는 하나의 양성자를 가지며, 중성자의 수가 달라져 1, 2, 3의 질량수를 가지는 동위원소로 존재한다(출처)
목차
안정동위원소와 방사성동위원소(Stable isotope and radioactive isotope)
일부 동위원소는 방사성이므로 방사성 동위원소 또는 방사성 핵종으로 불리며 반면 방사성 붕괴가 관찰되지 않는 동위원소를 안정동위원소 또는 안정한 핵종이라고 부른다. 예를 들어, 14C는 탄소의 방사성 동위원소에 해당하며 12C와 13C는 안정동위원소에 해당한다.
지구상에는 약 339종의 자연 발생적 핵종이 존재한다. 이 중 286종은 태양계가 발생할 때부터 존재한 원시 핵종이다. 원시 핵종에는 긴 반감기(1억년 이상)를 가지는 32종의 방사성 핵종과 253종의 붕괴가 발견되지 않는 안정한 핵종이 포함된다.
모든 핵종은 궁극적으로 불안정하므로 안정동위원소 역시 방사성 핵종으로 볼 수 있지만 양성자의 붕괴를 관측 할 수 없을 정도로 반감기가 극도로 길기 때문에 안정한 것으로 보고 있다. 붕괴가 관측되지 않은 253개의 핵종 중 90개는 모든 알려진 형태의 붕괴에 대하여 이론적으로 안정하다. 대부분의 안정한 핵종들은 이론적으로 알파 붕괴 또는 이중 베타 붕괴와 같은 붕괴 형태들에 대해 영향을 받기 쉽지만 붕괴에 의한 산물이 아직까지 관찰되지 않았기 때문에 이들 동위원소는 "관측적으로 안정"하다고 한다. 이 핵종들의 예측된 반감기는 대개의 경우 우주의 추정나이를 훨씬 초과한다. 또한 방사성 핵종 중에도 우주의 나이보다 반감기가 긴 27개의 핵종이 존재한다.
인위적으로 생성된 방사성 핵종을 포함하여 현재까지 약 3,139개의 핵종이 알려져 있다(National Nuclear Data Center).
동위원소의 활용
- 동위원소 분석은 특정 샘플에서의 특정 원소에 대해 동위원소의 상대적인 양적 차이(상대적 비율)를 비교 측정하는 것이다. 생체 물질에서는 특히 탄소, 질소, 산소 등의 원소에서 동위원소의 상당한 변화가 발생 할 수 있다. 이러한 원소들의 동위원소 분석을 통해 식품 내 불순물의 검출(Jamin et al., 2003)이나 아이소스케이프(isoscape)를 활용하여 제품의 원산지 추적하는 등 광범위한 응용이 이루어지고 있다. 또한 화성에서 유래한 운석의 확인을 위해 포집된 미량 기체의 동위원소 분석이 활용되기도 한다(Treiman et al., 2000).
- 생물학에서 세포 배양(SILAC) 후 단백질의 정량에 사용하는 동위원소 표지(isotopic labeling)도 일반적으로 사용되고 있는 동위원소의 응용기술이다.
- 동위원소 희석법은 다양한 원소의 농도를 측정하는데 사용되며, 특정 동위원소가 농축된 알려진 양의 스파이크(enriched isotope spike)를 특정 시료와 혼합시켜 생성된 혼합물의 동위원소비를 질량 분석을 통해 측정한다.
- 방사성 동위원소의 측정을 이용한 연대 측정법(radiometric dating)은 불안정한 핵종의 알려져 있는 반감기를 이용하여 물질이 형성된 이후 혹은 지질학적 이벤트가 발생된 후로부터 경과 된 시간을 계산하는 것이다. 대표적으로 탄소 동위원소를 이용하여 물질의 연대를 결정하는 방사성 탄소 연대 측정법이 있다.
- 핵자기공명(NMR) 분광법은 핵스핀이 0이 아닌 동위원소인 1H, 2H, 15N, 13C, 31P를 이용한다.
- 특히 방사성 핵종의 중요한 쓰임새로 원자력발전과 핵무기를 꼽을 수 있다. 또한 핵의학 및 방사선 종양학처럼 의료 진단 및 치료를 위해서도 사용되고 있다.
참고문헌
[네이버 지식백과]동위원소 [Isotope] (지질학백과)