(사이언스 레터)동위원소의 반감기(2)

방사성원소는 중성자와 양성자의 불안정한 상태에서 안정된 상태로 변환되는 붕괴라는 과정을 반복하면서 점차 변화해 간다. 이러한 변화 과정에서 방사선을 내는 방사성 핵은 안정한 핵으로 변하므로 시간이 흐르면서 방사성 핵의 수가 감소한다. 방사선의 세기는 붕괴과정을 겪는 방사성 핵의 수에 비례하므로 방사성물질의 방사선 세기는 시간의 경과에 따라 점차 약하게 된다.

방사성물질이 방출하는 방사선의 세기가 반으로 줄어드는데 필요한 시간을 반감기라 하는데, 반감기는 붕괴하는 원자핵의 종류에 따라 다르며 모든 방사성 물질은 각각 특정한 반감기를 갖는다. 따라서 방사성동위원소가 일정한 반감기를 통해 붕괴과정을 거치는 것을 이용하여, 잔존해 있는 방사성동위원소와 생성된 안정된 동위원소의 원자비와 반감기의 정보를 통해 조사하고자 하는 시료의 연령을 알 수 있다. 광물, 지질학, 고고학, 인류학 시료의 연대를 측정하는 것이 그 예이다.

좀 오래된 이야기이지만 지구과학 등의 문제에서 미라나 동식물의 사체에서 나이를 묻는 문제가 자주 출제되곤 하였다. 풀이법을 생각해 보자.

먼저 우리가 숨을 쉬면서 사는 대기에는 이산화탄소가 들어있는데 이 이산화탄소를 구성하는 탄소에는 12C, 14C 두 종류가 있다. 14C는 우주를 통해 입사되는 각종 입자선 등에 의해 대기 상층부에 만들어진 중성자와 질소(14N)와의 핵반응으로 생성되는데 이렇게 생성된 14C는 빠른 속도로 대기에 퍼져서 항상 일정한 양만큼 대기권 내에 존재한다. 이 과정에서 만들어진 방사성탄소 원자(14C)는 산소와 결합하여 이산화탄소 분자가 된다. 녹색식물은 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 광합성을 하므로 살아있는 식물은 세포 속에 방사성탄소를 가지고 있다. 그리고 동물들은 식물을 섭취하여 살아가므로 결국 살아 있는 모든 생물체는 각자의 세포 속에 적은 양이지만 방사성탄소를 가지게 된다.

보통의 탄소 12C와 방사성탄소 14C의 혼합은 매우 활발하여 살아있는 식물이나 동물은 12C와 14C의 비율이 대기에서와 같이 유지된다. 그러나 생물이 죽으면 방사성탄소 원자를 더 이상 받아들일 수 없지만 붕괴는 계속되므로 사체에 있는 방사성탄소 원자의 양은 반감기에 따라 줄어들게 된다. 따라서 생물 사체에 있는 방사성탄소 원자양을 측정하면 생물이 사망한 연대를 알 수 있게 되는 것이다.

이러한 방법을 이용하여 앞서 말한 지질학적 또는 고고학적 시료의 연대를 측정한다. 물론 지질학적 연대 측정은 워낙 시간이 길어서 방사성탄소보다 반감기가 훨씬 긴 방사성 우라늄(238U)을 이용한다.

이뿐 아니라 방사선은 현재 여러 가지 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 투과력과 전리작용 등의 효과에 의하여 현대 의학 분야에서 암 치료 등에 유용하게 사용되고 있으며, 각종 의료기기의 멸균 소독에 이용되고 있다. 또한 유해물질을 방사선으로 파괴시켜 유해 물질을 분해하는 데에도 이용되고 있으며, 범죄수사, 미술품 검사뿐만 아니라 농업분야에서는 품종개량, 식품의 장기보존 및 지질, 지하수 검사 등에 이용되고 있다. 또한, 공업 분야에서는 화학반응 촉진, 화학물질 검출, 공업용 측정, 비파괴 검사 분야 등에 쓰이며 투과력이 강한 특성을 이용하여 경로파악이나 물질대사와 동식물생리연구 등에 이용되고 있다.

차정록(차선생 과학아카데미 원장)

▶심층 면접 관련 질문

1. 동위원소의 반감기를 설명하고 이를 이용하는 분야에 대해 설명하라.

2. 방사성 동위원소가 방사선을 방출하는 이유를 설명하라.