4. 동위원소(Isotope)란??

같은 이름 다른 체급의 입자들

이름은 여러분 개개인을 다름사람과 쉽게 구분할 수 있게 붙여놓은 약속과 같습니다. 이름을 붙이는 방법은 어렵지 않습니다. 한사람 한사람이 모두 다르기 때문에 이름을 각각 붙이면 쉽게 끝나는 일입니다. 그러면 원소의 이름은 무엇을 기준으로 나눠서 붙이게 될까요? 질량? 전자수? 성질? 원소의 이름은 원자핵의 양성자의 숫자를 기준으로 원소의 이름을 달리합니다.

예를들어, 양성자가 1개면 원자번호는 1번이 되며, 양성자가 양의 전하를 갖기 때문에 원자가 중성을 띄게 하려면 전자도 1개가 있어야 이 원자번호 1번의 전기적 성질이 중성이 됩니다. 

원자번호 1번 - 양성자 1개 - 전자 1개 = 수소(Hydrogen)

원자번호 2번 - 양성자 2개 - 전자 2개 = 헬륨(Helium)

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원자번호 10번 - 양성자 10개 - 전자 10개 = 네온(Neon)

위와 같은 방법으로 원소의 이름과 원자번호 그리고 양성자의 숫자가 결정됩니다. 정말 간단하죠? 그런데 20세기 초에 질량분석기(Mass spectrometer)의 발명으로 원자의 질량을 측정 할 수 있게 되었습니다. 질량분석기는 수소 원자의 질량 즉, 양성자 1개의 질량을 1로 놓고 상대적인 원자의 질량의 크기와 상대적인 구성비율을 측정하는 측정도구입니다.

질량분석기로 측정을 해보니 수소는 질량이 약 으로 나타남을 알 수 있었습니다. 그런데 이상하게 원자번호 2번인 헬륨을 측정해보니 수소의 질량의 2배가 아닌 4배의 질량을 갖고 있음을 알 수 있었습니다. 원자번호 3번인 리튬은 6배로 원자번호의 2배의 질량을 갖고 있음을 질량분석기를 통해 알 수 있었습니다. 따라서 과학자들은 양성자달리 양의 전하를 띄지 않는 제 3의 아원자 입자가 존재 한다고 추측해 낼 수 있었으며, 질량은 양성자와 거의 같되, 전하를 띄지않는 중성자(n, Neutron)이라는 입자로 원자의 질량 차이를 설명하게 됩니다.

원자번호 1번 - 양성자 1개 - 전자 1개 = 수소

원자번호 2번 - 양성자 2개 - 중성자 2개 - 전자 2개 = 헬륨

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원자번호 10번 - 양성자 10개 - 중성자 10개 - 전자 10개 = 네온

이렇게 중성자의 존재를 찾고 나서 더 정밀한 질량분석기를 도입하고 보니 또 다른 현상을 보게 됩니다. 바로 같은 원소에 다른 질량을 갖는 원자들이 존재한다는 것을 알아낸겁니다. 원소의 구분 기준이 양성자의 숫자이다 보니 양성자의 숫자는 같되, 중성자의 숫자가 다른 바로 동위원소(Isotope)들이 존재한다는 것을 알아냅니다. 

동위원소들은 원소의 성질을 좌지우지 하는 양성자의 숫자는 같다보니 성질은 비슷한데 질량이 중성자의 숫자만큼 다릅니다. 이렇게 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자를 합쳐서 핵자(Nucleons)라고 부르며 이 핵자들의 숫자의 합을 원자의 질량수(Mass Number)라고 부릅니다. 예를 들어, 헬륨의 질량수는 4가 되며 네온의 질량수는 20이 됩니다. 그런데 동위원소들은 질량수가 다른 여러가지 상태들이 존재하기 때문에 표기하기가 상당히 껄끄러워집니다. 그래서 동위원소를 표시하는 약속을 하게됩니다.

<사진1. 동위원소 표시방법 및 Ne의 동위원소, (원자번호는 생략하기도 함)>

사진1에서 표시한대로 원소이름 왼쪽에 위첨자로 질량수를 표시하고 아래첨자로 원자번호를 표시합니다. 그런데 원자번호는 원소이름으로 구분할 수 있기 때문에 생략하기도 하고 표시하기도 합니다. 그런데 네온의 경우에는 동위원소사이의 질량차이가 1/20 수준 밖에 나지 않습니다. 핵자들이 많기 때문에 여기서 한개 두개 추가되거나 빠지더라도 질량 자체에 큰 변화를 주지는 못하는 수준입니다. 그러나 예초에 질량수가 1인 수소의 경우에는 동위원소 사이의 차이가 매우 커집니다. 질량수 1인 수소에 중성자가 한개만 추가되어도 질량수가 2가 되어버립니다. 질량이 2배가 되어버리는 것이죠. 그래서 수소의 경우에 질량수에 따라 중수소(Deuterium), 삼중수소(Tritium)로 분류합니다.

원소	기호	원자번호 (Z)	질량수 (A)	존재비(%)
수소(Hydrogen)		1	1	99.985
중수소(Deuterium)	OR D	1	2	0.015
삼중수소(Tritium)	OR T	1	3	인공합성

동위원소들은 동일한 화학적 물지적 성질을 가지기 때문에 H2O(물)와 같이 중수소로도 D2O(중수)를 만들어 낼 수도 있는데 중수는 물과는 다르게 질량이 같다면 부피가 11%작은 특성을 보이는 등 약간 다른 특징을 보여줍니다. 또한 삼중수소의 경우에는 자연상태에서 존재할 수 없지만 인공적으로 만들어 낼 수 있는데 삼중수소의 경우 안정하지 못하여 안정한 상태의 중수소나 수소로 돌아가면서 에너지를 방출하는 방사성 동위원소의 특성을 가집니다. 그러나 우라늄이나 세슘같이 에너지가 큰 방사선을 내뿜지 않기 때문에 우리 몸에 위험하지 않습니다.

지금까지 원소의 이름, 핵원자모형 그리고 중성자의 개수에 따른 동위원소 개념까지 알아보았고 다음 시간에는 이러한 원소들의 주기적인 성질에 대해 정리해 놓은 주기율표에 대해 알아보도록 하겠습니다.