동위원소

원자의 한가운데에는 원자핵이라는 아주 작은 알맹이가 들어 있어요. 이 알맹이는 양성자와 중성자가 서로 붙잡고 뭉쳐서 만들어져요.

원소의 이름을 정하는 것은 양성자의 개수예요. 양성자가 하나면 수소, 여섯이면 탄소, 여덟이면 산소라고 불러요. 이 개수가 주기율표에서 자리를 정하는 번호이기도 해요.

반면 중성자는 이름표에 끼어들지 못해요. 전기를 띠지 않아서 다른 원자와 손잡는 방식에는 거의 관여하지 않고, 원자에 무게만 얹어 주거든요.

그래서 양성자 수는 같고 중성자 수만 다른 원자들이 생겨요. 수소만 해도 중성자가 없는 것, 하나인 것, 둘인 것이 있어요. 이들이 서로 동위원소 관계예요.

원자가 다른 원자와 어떻게 손을 잡을지는 바깥을 도는 전자가 정해요. 전자의 수는 양성자 수에 맞춰지니, 동위원소끼리는 전자의 배치가 같아요.

그래서 화학적인 성질이 서로 아주 비슷해요. 무거운 산소로 만든 물도 가벼운 산소로 만든 물도 여전히 물이고, 얼거나 끓는 성질도 크게 다르지 않아요.

차이는 무게에서 드러나요. 무거운 동위원소는 조금 더 굼뜨게 움직여서 증발하거나 퍼져 나가는 속도가 아주 미세하게 느려요. 이 차이를 이용하면 섞여 있는 동위원소를 무게별로 갈라낼 수도 있어요.

이 작은 차이는 뜻밖에 쓸모가 많아요. 빙하 속 얼음에 갇힌 산소 동위원소의 비율을 재면 그 얼음이 얼던 시절의 먼 옛날 기온을 짐작할 수 있어요.

조금 더 정확히 말하면 동위원소가 다 같이 얌전하지는 않아요. 양성자와 중성자의 수가 서로 잘 어울릴 때 원자핵은 안정하게 버텨요.

그런데 중성자가 너무 많거나 너무 적으면 핵이 불안정해져요. 이런 핵은 시간이 지나면서 작은 입자나 빛을 밖으로 내보내고 더 안정한 상태로 바뀌어요. 이때 밖으로 튀어나오는 것이 바로 방사선이에요.

스스로 바뀌는 성질을 가진 동위원소를 방사성 동위원소라고 불러요. 절반이 다른 원자로 바뀌는 데 걸리는 시간을 반감기라고 하는데, 종류마다 눈 깜짝할 사이부터 수십억 년이 넘는 것까지 제각각이에요.

이 규칙적인 변화는 자연이 놓아둔 시계 노릇을 해요. 나무나 조개껍데기에 남은 탄소 동위원소의 양을 재면 얼마나 오래된 것인지 가늠할 수 있어요. 자연에 흔한 동위원소는 대부분 안정한 쪽이에요.