놀라운 방사능의 세계

과학기술

놀라운 방사능의 세계
[만화로 푸는 과학 궁금증] 방사능의 실체와 종류

2021.04.23 09:00 윤상석 프리랜서 작가

요즘 일본 후쿠시마 원자력발전소 방사능 오염수 해양 방류 문제로 사람들이 방사능에 대한 관심이 높다. 일반적으로 방사능은 원자폭탄이나 원자력 발전에서 나오는 방사능 폐기물 등 부정적인 이미지가 강하다. 그런데 방사능은 그 양은 적지만 우리 주변에서 쉽게 찾을 수 있는 자연의 일부이고, 의료계 등에서 우리가 유용하게 이용하기도 한다. 그 방사능의 정체에 대해 알아보자.

방사능이란 무엇인가?

방사능은 방사선을 방출하는 능력을 말한다. 방사선이란 높은 에너지를 가진 입자의 흐름 또는 빛과 같은 전자기파이다. 또한, 방사능을 가진 물질을 방사성 물질이라고 부른다. 방사성 물질은 원자핵이 불안정해 순식간에 파괴되거나 변하면서 그 부산물로 방사선을 방출하는 물질이다. 원자핵이 불안정해 파괴되거나 변하는 원자를 ‘방사성동위원소’라고 부른다.

방사선으로는 알파선, 베타선, 감마선, X선, 중성자선이 있는데, 이들은 물질 속을 지날 때 원자나 분자의 화학 결합을 끊는다. 이로 인해 물질의 구조가 바뀌고 파괴되기도 한다. 그래서 방사선이 생물 세포를 지나가면, 그 세포가 죽거나 DNA가 손상되어 암세포가 되기도 한다. 따라서 방사선은 생물에게 매우 위험한 존재이다.

방사선은 세포의 DNA를 파괴하여 암세포가 생기게 한다. 반대로 방사선은 암세포를 파괴하여 암을 치료할 수도 있다.ⓒ윤상석

그런데 방사성 물질은 대기, 땅, 공기, 음식물 등 우리 주변 곳곳에 존재하며 방사선을 내보내고 있다. 우리가 생활 속에 접할 수 있는 방사성 물질로는 땅에 있는 우라늄과 토륨, 공기 중에 라돈, 음식물 중에 칼륨40 등이 있다. 하지만 일상에서 자연환경으로부터 받는 방사선의 양은 아주 적으므로 우리 건강에 큰 문제가 되지 않는다.

방사성동위원소는 왜 방사선을 방출할까?

방사성동위원소는 원자핵이 불안정한 동위원소이다. 방사성동위원소는 불안정한 원자핵이 안정된 원자핵이 되기 위해 방사선을 방출한다.

중성자 수가 너무 많아 불안정한 방사성동위원소는 원자핵의 중성자 1개가 양성자 1개로 바뀌고 전자 1개를 방출한다. 이 변화를 베타 붕괴라고 하고, 이때 나온 전자의 흐름이 베타선이다. 또한, 양성자 수가 너무 많아 불안정한 방사성동위원소는 원자핵의 양성자 1개가 중성자 1개로 바뀌면서 양전자를 방출하는데, 이 양전자의 흐름도 베타선이라고 한다. 원자핵에 베타 붕괴가 일어나면 원자핵의 질량이 바뀌어 원자핵의 종류가 변한다.

삼중수소는 중성자가 너무 많아 불안정한 방사선동위원소이다. 그래서 중성자가 양성자로 바뀌어 헬륨으로 변하고 전자 1개를 방출한다. ⓒ윤상석

한편, 양성자 수가 너무 많아 불안정한 방사성동위원소 중에는 원자핵의 양성자 1개가 원자핵 주위 가장 안쪽 궤도에 있는 전자 1개를 붙잡아 중성자 1개로 변하는 경우도 있다. 이때 더 바깥쪽 궤도 있는 전자가 안쪽 궤도로 옮겨가면서 전자기파를 방출하는데, 이것이 바로 X선이다.

중성자와 양성자 양쪽의 수가 너무 많아 불안정한 방사성동위원소는 원자핵에서 양성자 2개와 중성자 2개가 합친 헬륨 원자핵 1개를 방출하는 경우가 있는데, 이 변화를 알파 붕괴라고 한다. 이때 나온 헬륨 원자핵의 흐름이 알파선이다. 알파 붕괴가 일어나면 베타 붕괴와 마찬가지로 원자핵의 질량이 바뀌어 원자핵의 종류가 변한다.

또한, 중성자와 양성자 양쪽의 수가 너무 많아 불안정한 방사성동위원조소의 원자핵은 스스로 분열하는 경우도 있다. 이때 원자핵에서는 여분의 중성자가 나오는데, 이 중성자의 흐름을 중성자선이라고 한다.

한편, 원자핵의 중성자 수와 양성자 수가 안정된 상태이지만 원자핵이 높은 에너지 상태에 있어 불안정한 방사성동위원소는 감마선이라는 전자기파를 방출하면서 원자핵이 낮은 에너지 상태가 된다. 이 변화를 감마 붕괴라고 한다.

방사선의 종류와 특징

헬륨 원자핵의 흐름인 알파선은 속도가 광속의 5%로 다른 방사선에 비해 느린 편이다. 또한, 강한 전기를 띠고 있으므로 주위 원자의 전자나 원자핵과 강하게 끌어당기거나 반발하여 에너지를 금방 잃는다. 그래서 이 방사선은 종이 한 장으로도 차단할 수 있다.

베타선은 전자의 흐름으로 광속의 98% 정도로 빠르다. 알파선보다는 약한 전기를 띠어 주위 원자의 원자핵이나 전자에 영향을 적게 받으므로 알파선보다는 잘 감속되지 않는다. 따라서 베타선을 차단하려면 두께 4mm 이상의 알루미늄판이 필요하다.

감마선이나 X선은 광속으로 전달되는 전자기파로 전기를 띠지 않기 때문에 차단하기가 쉽지 않다. 하지만 전자기파는 진행 방향에 있는 원자의 전자에 닿으면 흡수되거나 에너지가 많이 준다. 진행 방향에 있는 원자의 양성자가 많을수록 이런 현상이 잘 일어나므로, 원자 번호가 큰 원자인 납으로 만든 판을 사용하면 이 방사선을 막을 수 있다.

중성자의 흐름인 중성자선은 광속의 5%로 비교적 느리지만, 전기를 띠지 않아 차단하기가 쉽지 않다. 그래서 중성자선을 차단하려면 콘크리트나 물로 이루어진 두께 수 m의 벽이 필요하다.

원자력 발전 과정에서는 여러 가지 방사성동위원소가 생기고 이들이 방출하는 감마선, 베타선, 알파선 등의 방사선의 양이 매우 많다. 물론 핵분열이 일어나는 원자로에는 특별한 장치들이 있어 방사선들이 외부로 나갈 수 없다. 하지만 이들이 방출하는 방사선의 양이 충분히 약해지려면 10만 년 이상의 매우 긴 시간이 흘러야 한다. 따라서 원자력 발전에서는 이러한 방사능 폐기물 처리 문제가 매우 중요한 문제로 남는다.