수천 년 전에 죽은 나무 한 조각이 언제 베어졌는지, 과학자들은 어떻게 알아낼까요? 비밀은 나무 속 탄소 원자에 숨어 있습니다. 같은 탄소라도 아주 조금 더 무거운 종류가 섞여 있고, 그중 일부는 일정한 속도로 사라지기 때문입니다. 원자 하나하나에 시계가 들어 있는 셈입니다.

이처럼 같은 원소이면서 무게가 서로 다른 원자들을 ‘동위원소(Isotope)’라고 합니다. 화학적 성질은 거의 똑같지만 원자핵 속 중성자 수가 달라서, 어떤 것은 영원히 안정하게 남고 어떤 것은 방사선을 내며 다른 원소로 바뀝니다.

본 자료에서는 동위원소의 뜻과 원자 구조부터 안정 동위원소와 방사성 동위원소의 차이, 탄소로 시간을 재는 방법, 그리고 의료와 에너지, 기후 연구에 쓰이는 모습까지 차례로 살펴보겠습니다.

무게가 다른 쌍둥이 원자, 동위원소의 원리와 쓰임

같은 자리에 놓인 다른 원자

원자는 가운데의 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있고, 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 나뉩니다. 원소의 종류를 정하는 것은 양성자의 수입니다. 양성자가 6개면 탄소, 8개면 산소입니다.

• 원자 번호(Atomic Number): 원자핵에 든 양성자의 수로, 어떤 원소인지를 결정합니다.
• 질량수(Mass Number): 양성자와 중성자를 더한 수로, 원자의 무게를 대략 나타냅니다.
• 동위원소(Isotope): 양성자 수는 같고 중성자 수만 달라 질량수가 다른 원자들입니다.

화학 반응은 주로 전자가 맡기 때문에, 전자 수가 같은 동위원소들은 반응하는 모습이 거의 같습니다. 동위원소라는 말은 그리스어로 ‘같은’을 뜻하는 이소스(isos)와 ‘자리’를 뜻하는 토포스(topos)에서 왔습니다. 주기율표에서 같은 칸을 차지한다는 뜻입니다. 1913년 영국의 화학자 프레더릭 소디(Frederick Soddy)가 이 개념을 내놓았고, 이 이름은 그와 대화를 나누던 스코틀랜드의 의사이자 작가 마거릿 토드(Margaret Todd)가 제안했습니다.

안정한 원자와 변하는 원자

동위원소는 원자핵이 안정한지에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다. 수소가 가장 좋은 예입니다.

(1) 안정 동위원소
시간이 지나도 변하지 않는 동위원소입니다. 보통 수소는 중성자가 없지만, 중성자를 하나 가진 중수소는 두 배 무겁습니다. 중수소는 1931년 미국의 화학자 해럴드 유리(Harold Urey)가 발견했습니다. 탄소도 대부분은 탄소-12이고, 약 1.1%는 중성자가 하나 더 많은 탄소-13입니다.

(2) 방사성 동위원소
원자핵이 불안정해 방사선을 내며 다른 원자로 바뀌는 동위원소입니다. 중성자가 둘인 삼중수소는 약 12년이 지나면 절반이 헬륨으로 바뀝니다.

(3) 반감기라는 시계
방사성 동위원소가 처음 양의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 반감기(Half-life)라고 합니다. 반감기는 온도나 압력이 바뀌어도 거의 변하지 않아서 시간을 재는 정확한 시계가 됩니다. 반감기가 지나면 절반이 남고, 두 번 지나면 4분의 1, 세 번 지나면 8분의 1이 남는 식으로 일정하게 줄어듭니다.

탄소로 시간을 재는 법

하늘 높은 곳에서는 우주에서 날아온 우주 방사선(Cosmic Ray)이 공기와 부딪혀 방사성 탄소인 탄소-14를 끊임없이 만들어 냅니다. 식물은 광합성을 하며 이 탄소를 받아들이고, 동물은 식물을 먹으며 몸에 쌓습니다.

숨이 멈추면 시계가 돌기 시작한다

생물이 살아 있는 동안에는 몸속 탄소-14의 비율이 대기와 비슷하게 유지됩니다. 그러나 죽고 나면 새 탄소가 들어오지 않고, 남은 탄소-14는 약 5,730년마다 절반씩 줄어듭니다. 그래서 남은 양을 재면 그 생물이 언제 죽었는지 거꾸로 계산할 수 있습니다.

고고학을 바꾼 발견

이 방사성 탄소 연대 측정법(Radiocarbon Dating)은 1940년대 후반 미국 시카고 대학교의 윌러드 리비(Willard Libby)가 개발했고, 그는 이 공로로 1960년 노벨 화학상을 받았습니다. 다만 오래될수록 남은 양이 너무 적어져, 믿을 만하게 잴 수 있는 한계는 보통 약 5만 년 전까지입니다.

생활과 과학 속 동위원소

동위원소는 실험실 밖에서도 널리 쓰입니다. 화학적 성질은 같고 무게나 방사선만 다르다는 점이 오히려 쓸모가 됩니다.

(1) 병을 찾고 고치는 의학
방사성 동위원소를 몸에 조금 넣으면 그것이 모이는 곳을 영상으로 추적할 수 있습니다. 반감기가 약 6시간인 테크네튬-99m은 진단 검사에 널리 쓰이고, 아이오딘-131은 갑상샘 치료에 쓰입니다.

(2) 원자력 발전의 연료
자연의 우라늄에서 핵분열을 잘 일으키는 우라늄-235는 약 0.7%뿐입니다. 그래서 발전소 연료로 쓰려면 이 비율을 높이는 농축 과정을 거칩니다.

(3) 과거 기후를 읽는 얼음
무거운 산소-18이 든 물은 가벼운 물보다 덜 증발하고 먼저 비나 눈으로 떨어집니다. 그래서 남극 빙하 속 얼음의 산소 동위원소 비율을 재면 그 눈이 내릴 무렵의 기온을 짐작할 수 있습니다.

(4) 원산지를 밝히는 꼬리표
식물과 동물 속 동위원소 비율은 자란 지역의 물과 토양, 기후에 따라 조금씩 다릅니다. 이 차이를 분석하면 꿀이나 와인 같은 식품에 값싼 재료가 섞였는지, 정말 표시된 지역에서 생산되었는지를 가려낼 수 있습니다.

동위원소는 겉으로 보기에 똑같은 원자도 속을 들여다보면 저마다 다른 이야기를 품고 있다는 사실을 알려 줍니다. 중성자 몇 개의 차이가 고대 유물의 나이를 밝히고, 몸속 병을 찾아내며, 수십만 년 전의 날씨까지 들려줍니다.

같은 이름의 원자에도 서로 다른 무게와 시간이 담겨 있음을 아는 일, 그것이 보이지 않는 원자의 세계를 깊이 이해하는 공부의 첫걸음입니다.