탈핵신문 용어풀이① _ 원자와 원자핵

“탈핵신문에 나오는 용어를 설명해주세요”라는 독자 의견을 자주 듣습니다. 탈핵신문은 다른 신문보다 전문적인 용어가 많이 등장합니다. 핵발전소에서 일어나는 다양한 사건·사고를 설명하기도 하고, 에너지정책을 소개하기도 하기 때문입니다. 탈핵신문에 많이 등장하기도 하면서 반드시 알아야 할 키워드를 연재합니다. 꼭 알고 싶은 용어가 있으면, 언제든지 편집위원회로 연락주시기 바랍니다. - 글쓴이 주 -

 

 

탈핵신문 용어풀이① _ 원자와 원자핵

 

 

물질의 가장 기본적인 구성단위를 원자라고 한다. 원자를 나타내는 영어 표현 atom은 ‘더 이상 쪼개지지 않는 것’이란 고대 그리스어 atomos에서 온 말이다. 하지만 현대 물리학에서 원자의 구조가 밝혀지고 지금은 원자를 쪼갤 수 있으므로 이런 표현은 맞지 않는다.

 

원자는 핵(nucleus)과 그 주위에 있는 전자로 이뤄져 있다. 원자핵은 양전하를 띠고 있는 양성자와 중성을 띠고 있는 중성자로 이뤄져 있다. 양성자와 중성자의 전체 숫자를 질량수라고 부른다. 양성자와 중성자 숫자의 조합을 핵종이라고 부른다. 또 양성자 숫자는 같지만, 중성자 숫자가 다른 핵종을 동위원소라고 부른다. 모든 물질은 다양한 동위원소를 갖고 있으므로 지구상에는 원소 숫자보다 더 많은 핵종이 존재한다. 자연계에 존재하는 원소는 90여 개에 불과하지만, 핵종은 330개가 넘는다. 이중 약 250개의 핵종은 안정적이지만, 나머지는 불안정하다. 이들 불안정한 핵종을 방사성 핵종이라고 부른다.

 

예를 들어 양성자 1개를 가진 수소는 7개의 동위원소가 발견되었다. 자연 상태에 존재하는 수소 대부분은 양성자 1개만으로 이뤄진 경수소이다. 양성자 1개에 중성자가 1개이면 중수소, 2개이면 삼중수소가 된다. 경수소와 중수소는 방사성 핵종이 아니지만, 삼중수소는 방사성 핵종이다. 원소의 화학적 성질은 양성자와 전자 숫자에 의해 결정된다. 따라서 동위원소의 화학적 성질은 원래 원소와 거의 같다. 예를 들어 중수소는 수소(H2) 상태로도 존재할 수 있고, 산소와 결합해 물(H2O)의 형태로 존재할 수도 있다. 중수소로 만들어진 물을 중수(重水)라고 부른다. 중수소와 중수의 화학식은 경수소나 경수와 구분하기 위해 각각 D2와 D2O로 쓴다.

 

방사성 핵종은 시간이 지남에 따라 에너지나 입자를 방출하고 안정적인 상태로 변한다. 이를 방사성 붕괴라고 하고, 전체의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간을 반감기라고 부른다. 방사성 붕괴가 일어나면 양성자와 중성자의 숫자가 바뀌기 때문에 다른 핵종으로 바뀐다. 이때 방사성 붕괴 이전의 핵종을 부모 핵종, 붕괴 이후의 핵종을 딸핵종이라고 부른다.

 

삼중수소를 예로 들면, 삼중수소는 우주방사선이 지구의 질소와 반응하여 만들어지거나 과거 핵실험의 결과 만들어지기도 했다. 또 월성 핵발전소와 같은 중수로는 원자로에서 중수의 중수소가 중성자를 포획하면서 삼중수소가 발생하기도 한다. 삼중수소의 반감기는 12.3년이다. 즉 12.3년이 지나면, 전체 삼중수소의 절반이 붕괴하게 된다. 이때 붕괴한 삼중수소는 헬륨-3으로 바뀌며, 방사선의 일종인 베타입자(베타선)를 방출한다. 헬륨-3은 비방사성 핵종이라 추가적인 붕괴가 이뤄지지 않고 안정적인 상태를 유지하게 된다. 이 경우 부모핵종은 삼중수소이고, 딸핵종이 헬륨-3이 된다. 자연계에 가장 풍부하게 존재하는 우라늄 동위원소인 우라늄-238의 경우, 토륨-234, 프로트악티늄-234 등으로 붕괴되어 최종적으로 납-206으로 붕괴되어 안정적인 상태가 된다. 이때 우라늄-238이 납-206으로 붕괴되는 반감기는 45억년에 이른다.

 

이헌석 편집위원

탈핵신문 2021년 4월(87호)

 

 

 

 

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