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노벨상 패밀리 -폴로늄(Po)과 라듐(Ra)- 목록

조회 : 9193 | 2012-05-22

X-선
사고든, 건강검진이든 한 번은 병원에서 X-선 검사를 받게 된다. 정체를 알 수 없다는 뜻을 가진 X-선은 물질의 밀도가 높을수록 투과할 수 없다. 따라서 감광판이 하얗게 나타나는 뼈 등의 X-선과는 달리 근육이나 지방은 밀도가 낮기 때문에 X-선이 통과해서 감광판이 어둡게 나타난다. 

 

뢴트겐  
최초의 X-선 사진과 뢴트겐

 

X-선은 어떻게 발견되었을까?
1895년, 뢴트겐(1845~1923)은 당시 과학계의 뜨거운 감자였던 음극선관을 연구하고 있었다. 그는 음극선관을 검은 종이로 완전히 감쌌다. 그리고 실험실로 들어오는 빛을 차단한 후, 음극선관에 발생시킨 음극선을 금속판에 쏘았다.
그러자 음극선관 주위의 시안화백금산바륨 조각이 밝게 빛났다. 무언가 음극선관에서 새로운 광선이 검은 종이를 뚫고 나와 시안화백금산바륨을 자극한 것이었다. 이 빛은 전기장과 자기장에 휘지 않으며, 반사나 굴절도 되지 않는 등 그 정체를 알 수 없었다. 그는 이 빛을 X-선이라 불렀다.

 

뢴트겐의 x선 

뢴트겐의 X-선

 

X-선은 어떤 특징이 있을까? 뢴트겐은 아내의 손을 사진 건판 앞에 놓고 X-선을 쪼았다. 놀랍게도 금속 반지와 함께 손뼈의 구조가 사진 건판에 선명하게 나타났다. 인체의 내부를 볼 수 있게 된 것이다. 이 사실은 많은 사람들에게 큰 충격이었다. 당시 신문은 X-선으로 사생활을 침해당할 수도 있다는 우려와 함께 미래에 대한 어두운 전망을 쏟아내기도 했다.

 

음극선관
패러데이(1791~1867)는 밀폐된 유리관 안에 양극과 음극을 마주보게 놓고 공기를 빼내었다. 그리고 양쪽 에 높은 전압을 가했을 때 음극에서 무엇인가가 양극으로 흘러가는 것이었다. 그는 이것을 음극에서 발생했기 때문에 음극선이라고 불렀다. 이후 가이슬러(1814~1879)와 크룩스(1832~1919)는 음극선관과 내부의 공기가 거의 없는 가이슬러관과 크룩스관을 개발하였다.

 

전자의 발견
X-선의 발견으로 사람들의 관심은 음극선으로 쏠렸다. 과연 음극선은 무엇이며, X-선은 무엇일까?
1896년, 톰슨(1856~1940)은 음극선이 전기장을 지날 때 양극 쪽으로 휘는 것을 보았다. 음극선은 음전하를 띤 입자들이었다. 더 중요한 것은 원자 안에 훨씬 더 작은 입자가 있었던 것이다.


   
음극선관   톰슨의 음극선관 실험과 건포도 푸딩 원자 모형 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Kurzon

 

원자는 궁극적인 알갱이가 아니었다. 톰슨은 원자는 음전하의 전자와 양전하의 입자가 골고루 퍼져있다는 건포도 푸딩 모델을 제안하였다. 원자의 구조를 밝히기 위한 긴 여정이 시작된 것이었다.

 

방사능의 발견
원자의 구조에 대한 중요한 단서가 발견되었다. 1896년, 베크렐(1852~1908)은 검은 종이로 감싼 우라늄 화합물을 사진건판과 함께 서랍 속에 두었다.
몇 달 후 그가 서랍을 열었을 때 놀랍게도 사진건판이 빛에 노출되어 있었다. X-선처럼 또 다른 새로운 빛이 우라늄화합물에서 나온 것이었다. 이 빛은 ‘우라늄선’ 혹은 ‘베크렐선’으로 불렸으나 X-선보다 약했기 때문에 그 중요성은 무시되었다.
1898년, 퀴리부부는 ‘베크렐선’을 연구하기 시작했다. 그들은 방사선의 세기를 사진건판 대신에 압전기로 측정했다. 압전기는 미세한 전류를 측정하기에 적합했다. 우라늄선의 세기는 우라늄 양에 비례하며, 조건에 상관없이 지속적으로 나왔다. 우라늄 자체에서 새로운 빛이 나오고 있었던 것이다. 세기가 약했던 것은 단지 우라늄의 양이 적었기 때문이었다.

 

X-선과 방사선
X-선은 무엇인가? 이것은 높은 에너지를 갖는 전자가 금속처럼 무거운 원자와 충돌할 때 발생한다. 즉, X-선은 금속 내의 전자가 에너지를 얻었다가 내놓는 빛이었다.
방사선은 대개 방사성 원소가 붕괴할 때 방출되는 알파선, 베타선, 감마선을 말한다. 즉, 방사선은 불안정한 물질이 안정하게 되면서 방출하는 빛 또는 물질이었던 것이다. 방사능은 방사선의 세기이다.
알파선은 중성자 두 개와 양성자 두 개로 이루어진 헬륨 원자핵으로 질량과 전하가 커서 물질 속에서 에너지 크게 감소하기 때문에 투과력이 약하다. 베타선은 전자의 흐름으로 알파선보다는 투과력이 크며 가벼워 물질 내에서 크게 산란된다. 감마선은 파장이 짧은 전자기파로 핵의 붕괴 후 잠시 들떠 있던 핵이 안정하게 되면서 방출되며 투과력이 강하다.

 

베크렐 선

우라늄 염에 노출된 사진판에서 발견한 베크렐 선


투과력

방사선 물질의 투과력 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Alfa_beta_gamma_radiation.svg

 

피치블렌드
방사선의 세기는 우라늄의 양에 따라 다른 것을 밝혀낸 퀴리부인 계속해서 천연 우라늄광인 피치블렌드를 연구했다. 그런데 피치블렌드에서 나오는 방사선은 순수한 우라늄보다 훨씬 더 강했다.
그 이유는 우라늄보다 더 강한 방사능 물질이 피치블렌드에 있었기 때문이었다. 1898년, 퀴리부부는 피치블렌드에서 새로운 방사능 물질을 발견했다. 퀴리 부인은 러시아와 프로이센, 오스트리아의 지배하에 있었던 조국 폴란드에 작은 힘이나마 돕고 싶었다. 새로운 원소는 폴란드를 의미하는 ‘폴로늄'로 명명되었다.  
그러나 폴로늄으로도 피치블렌드의 강한 방사능을 설명할 수는 없었다. 마침내 방사능이 더 강한 새로운 원소가 발견되었다. 이것은 광선을 의미하는 라듐으로 명명되었다. 퀴리부부는 4년 동안 노력한 끝에 수십 톤의 피치블렌드에서 0.1 g의 라듐을 추출해 냈다. 우라늄보다 방사능이 강한 폴로늄과 라듐의 발견으로 방사선은 주목받기 시작했다.
1899년, 데비에른은 퀴리 부부가 사용하고 남은 피치블렌드에서 악티늄을 발견했다. 주기율표에서 원자번호 89번 악티늄에서 103번인 로렌슘까지 15개의 원소를 악티늄 족이라 한다.
전자와 함께 방사능 물질은 돌턴의 원자론을 발전시키는 계기가 되었다. 즉, 우라늄이 붕괴에서 나오는 방사능은 원자 안에는 더 작은 입자가 있다는 증거였다. 이처럼 원자의 변환과 구조는 러더퍼드 이전에 이미 퀴리 부부에 의해 밝혀지고 있었던 것이다.
방사능 물질의 중요한 용도는 의학이다. 방사선 치료란 방사능 물질에서 나오는 고에너지의 X-선이나 감마선 등을 사용하여 암을 치료하는 방법이다. 방사선은 암세포의 유전자를 공격하여 성장과 번식을 막는다. 그러나 정상 세포들도 손상을 입는 부작용 등이 있다.

 

노벨상 가족
퀴리 부인은 ‘첫 여성 수상자’, ‘최초 2회 수상자’, ‘물리, 화학 분야 수상자’, ‘부부 수상자’ 등의 다양한 노벨상 기록을 갖고 있다. 이에 더하여 퀴리 부인과 남편, 딸, 사위 등 4명의 가족이 노벨상을 받은 대기록을 갖고 있다.
퀴리 부인은 1903년 남편 피에르 퀴리, 베크렐과 함께 방사능을 발견한 공로로 노벨물리학상을 받았다. 1911년에는 폴로늄과 라듐을 발견한 공로로 노벨화학상을 받았다. 퀴리 부인은 분야가 다른 과학 부문에서 수상한 유일한 과학자였다. 
퀴리 부인은 최초의 모녀 수상자라는 기록도 갖고 있다. 1934년, 퀴리 부인의 딸과 사위인 졸리오 퀴리 부부는 폴로늄에서 나오는 알파 입자를 알루미늄에 충돌시켜 알루미늄을 인으로 바꾼 공로로 1935년 노벨화학상을 받았다. 그러나 방사선을 오래 쬔 부작용으로 퀴리 부인은 악성 빈혈로, 이렌 졸리오 퀴리는 백혈병으로 사망하였다.

 

퀴리
마리 퀴리와 피에르 퀴리


퀴리2

프레데릭 졸리오 퀴리 부부

 

죽음의 기체, 라돈
라듐이 붕괴할 때 생기는 비활성 기체 라돈은 기체 원소들 중 가장 무겁다. 라돈이란 우라늄과 라듐을 연결시켜 그들과 함께 있는 가스라는 뜻을 갖고 있다.
독일의 소도시 슈네베르크는 16세기 은광을 연 이래 원인을 알 수 없는 괴질로 고통을 겪었다. 광부들은 대부분 35살 이전에 죽어갔다. 독일이 통일되면서 광산이 폐광되었지만, 갱도에 들어간 적이 없는 주부들도 광부들과 비슷한 증세로 사망하기 시작했다.

 

라돈
슈네베르크의 괴질

 

어떤 일이 일어났던 것일까?
그 원인은 폐암이었다. 방사성 기체인 라돈의 흡입으로 오염된 먼지가 폐에 달라붙었다. 비록 광산은 폐쇄되었지만, 지하갱도를 통해 라돈 기체가 지하실을 통해 집안으로 스며들었던 것이다.
실제로 폐암 환자의 최대 14%가 라돈 때문인 것으로 알려지고 있다. 공기 중 라돈의 농도는 지반에 있는 우라늄이나 토륨의 양에 따라 다르다. 일부 지하철역에서는 기준치보다 높은 라돈이 검출되기도 한다.
2009년, 세계보건기구는 라돈이 건강에 미치는 영향을 최소화하기 위해 허용 기준치를 입방미터 당 100 베크렐로 이전의 1/10로 낮출 것을 권고하였다. 따라서 라돈의 피해를 줄이려면 환기가 필요하다. 특히, 지하실처럼 환기가 되지 않는 공간은 더욱 필요한 것이다.

주제!
물질
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