차시명: 5주차 제1강

주제: 광물과 암석 6부 – 방사능과 환경

동기 유발: 최근 후쿠시마 원전 사고로 방사능에 대한 우리의 관심이 높습니다.  한국에도 많은 원전이 있으나 이들의 노후화 및 일부 관리의 문제점 등으로 우리도 방사선에 노출될 위험이 있습니다. 방사능 원소에 위한 방사선은 어떻게 생기며, 이 방사선은 우리에게 어떤 건강적 위협이 될지 알아봅시다

학습 목표: 방사능 원소에 의한 방사선 방출과 이에 의한 건강적 위해에 대해 이해하자

강의 타이틀: 2. 광물과 암석 – 2-6. 방사능과 환경

안녕하십니까?

지각 중에는 적은 양이지만 방사능 원소가 포함되어 있습니다.  방사능 원소는 지구작용에 의해 모여 곳에 따라 광상을 형성하며, 우리는 이 광상으로부터 방사능 원소를 추출하여 핵 에너지를 얻습니다.

방사능은 방사선을 방출한다는 뜻입니다. 이 방사선은 매우 높은 에너지를 갖고 있어 파괴적이고 건강에 매우 해롭습니다.  우리는 이 방사선에 노출되어 있습니다. 방사선은 지각에 포함된 자연 방사능 원소로부터 방출되기도 하고, 인간이 핵 에너지를 이용 하여 만든 무기와 발전 시설의 부산물 및 폐기물로부터도 나옵니다. 오늘 우리는 이 방사능과 환경에 대한 얘기를 하려 합니다.

[slide #1]

본격적인 방사능과 환경에 대한 얘기를 하기 전에 먼저 해당 분야의 기초적인 지식를 배워보도록 하겠습니다.

앞서 서두에서도 말씀 드렸듯이 방사능이란 방사선을 내는 능력인데, 방사선은 원자 핵 내에서 일어나는 붕괴의 과정에서 방사됩니다.  붕괴는, 좀 더 흔하게는 방사능 붕괴라고 불리며 영어로 decay라고 하는데, 불안정한 핵 내의 중성자나 양성자가 다른 것으로 전이하면서 기존 원소의 핵을 다른 원소의 핵으로 바꾸는 것입니다. 이 전이 과정에서 입자나 에너지가 방출되는데 이것이 방사선입니다.

[slide #2]

(애니메이션)

이 분야를 처음 접하시는 분들은 붕괴의 뜻이 아직 분명히 이해되지 않을 수도 있겠습니다.  (원자의 구조) 조금 더 설명을 드려보면 원자는 핵과 전자로 구성되어 있고 핵 내에는 중성자와 양성자가 있습니다.  여기 이 원자의 모습은 여러분의 이해를 돕기 위해 모식적으로 그린 것이고, 실제로는 이렇게 존재하지는 않습니다.  원자의 구조에 대해서는 여러분들이 따로 좀 더 공부하시기 바랍니다.

원자(원소)의 종류는 핵 내의 양성자의 수, 무게는 양성자와 중성자 수의 합에 의해서 결정됩니다, 이 때 양성자와 중성자의 무게는 거의 같습니다.  예를 들면 헬륨은 2번이고 무게가 4(amu)인데, 이는 양성자 수가 2개이고 중성자 수가 2개인 핵을 갖고 있다는 뜻입니다.  그런데 만일 이 핵의 중성자 하나가 양성자와 전자로 바뀐다면, 핵은 양성자 3개와 중성자 하나를 갖게 됩니다.  이 원자의 무게는 그대로 4이지만, 원자 번호는 3번, 즉 Li이 됩니다.  바로 이런 식으로 핵 내의 중성자 또는 양성자가 전이되면서 다른 원소의 핵으로 바뀌게 되는 것이 붕괴입니다.

[slide #3]

(설명 해당 부분 확대)

방사능 붕괴에는 여러 종류가 있습니다.  알파, 베타, 양전자 방출, 전자 포획 붕괴 등이 있습니다. 감마선 방출은 중간 단계의 임시 흥분상태에서 완화되어 기저상태로 갈 때 그 에너지 차이만큼 방사선으로 방출하는 것이므로 우리가 정의한 방사능 붕괴라기 보다는 방사능 붕괴에 수반되는 이차 방사선 방출이라 보시면 될 것 같습니다. 여기 맨 마지막의 핵 분열은 통상의  큰 핵이 더 작은 몇 개의 핵으로 분리되는 현상으로, 통상의 방사능 붕괴와 구별하여 기술하는 것이 보통입니다.

방사능 붕괴가 일어날 때, 붕괴 하는 원소를 모원소, 영어로는 parent, 붕괴 후 만들어진 원소를 자원소라고, 영어로는 daughter 합니다.

방사능 붕괴 중 알파 붕괴는 핵에서 알파입자가 떨어져 나가는 붕괴입니다.  알파입자는 헬륨 핵과 같습니다.  즉 알파 붕괴가 일어나면 양성자 두 개와 중성자 두 개가 떨어져 나가기 때문에, 모원소에 비해 자원소의 원자번호는 2만큼 무게는 4만큼 감소합니다. 예를 들면 232Th이 알파 붕괴하여 228Ra을 만듭니다. Ra의 원자번호는 90입니다. 그렇다면 Rn의 원자번호는 몇 번일까요? 그렇습니다 2가 적은 88입니다. 알파 붕괴 때 알파 입자가 방출되면서 나오는 방사선이 알파선입니다.

베타붕괴는 핵 내의 중성자가 양성자와 전자로 나뉘고 전자를 핵 밖으로 방출하고 베타선을 내는 붕괴입니다.  이 결과 자원소는 핵 내에 양성자가 하나 늘어 모원소보다 원자 번호가 하나 늘어나지만 원자 무게는 그대로 유지됩니다. 예를 들면 6번 원소 14C가 베타 붕괴를 하면 7번 원소 14N가 됩니다.

양전자 방출 붕괴는 핵 내의 양성자가 중성자와 양전자로 바뀌고, 양전자는 핵 밖으로 방출되어 전자와 같이 중화되어 원자 밖으로 방사되는 붕괴입니다. 이 결과 자원소는 핵내 양성자가 하나 줄어 모원소보다 원자 번호가 하나 줄어들고 원자 무게는 같은 원소가 됩니다. 이 붕괴의 예로는 6번원소 11C가 5번 원소11B이 되는 붕괴입니다.

전자 포획 붕괴는 핵 밖위 전자를 핵으로 잡아들여 양성자와 결합하여 중성자를 만드는 붕괴입니다. 이 결과 자원소는 핵 내 양성자가 하나 줄어 원자 번호가 모원소에 비해 하나 감소하나 무게는 그대로 유지하게 됩니다. 19번 40K이 전자포획붕괴를 하면 18번 40Ar이 됩니다.

이 밖에도 방사능 붕괴 방식이 몇 가지 더 있는데, 이에 대한 자세한 내용은 스스로 공부해보시기 바랍니다.

[slide #4]

많은 방사능 원소는 단일 붕괴를 합니다.  즉 한번의 붕괴로 바로 안정한 자원소로 바뀌는 것이죠.  이에 반해 우라늄이나 토륨 같은 원소는 연쇄붕괴를 합니다.  최후의 안정한 자원소가 되기 위해 연속적으로 붕괴를 하는 것입니다,

이 그림은 우라늄과 토륨의 방사능 연쇄 붕괴가 어떻게 일어나는지 보여주는 그림입니다.  이와 같이 연쇄 붕괴가 일어나는 원소들은 같은 양이라도 단일 붕괴가 일어나는 원소보다 많은 양의 방사선을 낼 수 있습니다.

[slide #5]

앞서 방사선은 높은 에너지를 갖아 매우 파괴적이라 건강에 해롭다고 하였습니다.  방사선은 파장이 매우 짧은 전자기파입니다. 전자기파의 에너지는 파장의 길이에 반비례합니다.  이 그림은 파장 범위에 따른 각기 다른 이름의 전자기파들을 보여줍니다. 파장이 긴 라디오파에서부터 파장이 짧은 감마선에 이르기까지의 전자기파들의 파장, 주파수, 그리고 흑체 온도까지 비교해서 보여줍니다.  감마선부터는 방사선에 속하는데 이 감마선에 해당하는 파장을 내는 흑체의 온도는 수천만도가 넘습니다. 앞서 얘기하였던 알파선과 베타선은 감마선보다 더 파장이 짧습니다.  파장이 짧으므로, 감마선보다 더 에너지가 높으며, 파괴력도 더 큽니다.

[slide #6]

이렇게 높은 에너지를 갖는 방사선은 우리에게 얼마나 위험할까요? 조금만 스쳐도 사망하는 수준일까요? 그렇지는 않습니다. 이미 지각에는 자연  방사능 원소가 존재한다고 하였습니다. 우리는 매일 이들 자연 방사능 원소로부터의 방사능을 쬐이면서 살고 있습니다. 그러니까 일정 수준 이하의 방사선을 쬐이는 것은 건강상 아무런 문제가 되지 않는 것입니다,

(설명에 따라 해당 부분 강조)

우리가 방사선에 노출되는 양을 방사선 피폭량이라고 하는데, 이 방사선 피폭량은 시버트로 나타냅니다, 1 시버트는 1kg의 세포 조직에 1joule의 방사선을 쪼였을 때 나타나는 생물학적 영향을 나타내는 단위입니다.  예전에는 REM, roentgen equivalent man, 이란 단위를 사용했었습니다.  1Sv=100입니다.  우리가 병원에서 가슴 x-선 한 장 찍을 때의 방사선 피폭량이 만분의 1 시버트 즉 0.1mSv 정도됩니다.  일일 자연 방사능 피폭량은 대략 2mSv 정도이고, 유방암 사진 찍을 때 쪼이는 양이 3mSv, 항공기 승무원의 년간 피폭량이 9mSv, 전신 CT를 찍는 양이 10mSv, 핵발전소 노동자의 연간 피폭량 제한 기준이 20mSv입니다. 이 정도의 피폭량은 우리 몸에 뚜렷한 여향을 주지 않으며, 암 발병률의 증가 징후도 없습니다.

하지만 이 이상의 방사선에 노출되면 분명히 건강상 위협이 됩니다. 피폭량이 100mSv에 이르면 암 발병률이 높아지기 시작합니다. 후쿠시마 사고가 일어났을 때 시간 당 최고 피폭량이 400mSv정도 되는데 4 시간 동안 이 수준의 방사선을 쪼이면 방사선 피폭 징후(메스거움, 구토)가 나타납니다. 피폭량 1,000mSv 정도 되면 암 발병률이 5% 정도 더 높아진다고 합니다. 이 수준까지는 방사선 피폭이 즉각적으로 영향을 미치지는 않지만, 나중에는 심각한 후유증을 남길 확률이 높습니다.

이 수준을 넘기면 방사능 피폭이 정말 심각해집니다. 잠재적으로 치명적인 증상을 남기며, 나중에 암이 발병할 확률이 대폭 높아집니다.  피폭량이 2000mSv에 이르면 고통스러운 피폭증상을 겪습니다. 5000mSv 정도의 방사선에 노출되면, 노풀된 사람의 반 이상이 한달 내에 사망합니다. 10,000mSv의 피폭량에 이르면 며칠 내로 사망합니다.

(설명에 해당되는 부분 확대)

방사선이 신체 각 부위에 미치는 영향을 보면, 눈이 방사서에 많이 노출될 경우 백내장이 생길 수 있으며, 갑상선에서는 호르몬 분비샘에 암 발병 가능성이 높아집니다.  폐에서는 특히 방사능 물질이 흡입되었을 때 DNA가 손상될 수 있고, 위는 방사능 물질을 섭취했을 때 특히 위험합니다. 생식기는 방사능의 영향으로 그 기능을 잃을 수 있으며, 피부는 붉게 변하고, 골수가 공격 받으면 백혈병 또는 기타 면역계 관련 질병이 생길 수 있습니다.

[slide #7]

이와 같이 건강에 크게 해로운 방사선은 보통의 일상 환경에서는 크게 문제가 되지 않습니다. 이미 살펴본 바와 같이 자연적인 방사선량이 그리 높지 않기 때문입니다.  하지만 가끔 뚜렷한 인위적인 누출이 없음에도 비정상적으로 방사선량이 높아질 수 있습니다. 이럴 경우 원인으로 눈여겨 보아야 하는 것 중의 하나가 라돈입니다.

라돈은 원자번호 86번, 원자무게 222를 갖으며 상온 상압에서 기체 상태로 존재하는 원소입니다.  라돈은 라듐의 방사능 (알파) 붕괴에 의해서 만들어지며, 라듐은 우라늄이 붕괴되는 과정에서 만들어집니다. 라돈은 비활성기체이며 그 자체로는 건강에 해롭지 않습니다.  하지만 라돈의 붕괴로 발생하는 방사선은 큰 위협이 될 수 있습니다.

[slide #8]

UN이 발표한 우리의 방사선 피폭 원인을 보면, 전체의 80%가 자연 방사능에 의한 것이고, 20%가 인공 방사능에 의한 것임을 알 수 있습니다.  인공 방사능의 대부분은 의료용 약에 의한 것이고, 자연 방사능의 대부분은 지반으로부터 나오는 라돈 가스에 의한 것입니다. 이 밖의 자연적 요인으로 음식, 외계로부터의 방사선, 토양 등이 있습니다.  이 자료를 보면 우리가 일상생활에서 방사선에 노출되는 정도가 라돈에 의해 크게 결정됨을 알 수 있습니다.

[slide #9]

(설명에 해당 부분 진하게)

라돈은 공기와 섞이는 무색 무미 무취의 가스입니다. 이는 우리가 라돈을 인지못한채로 흡입하여 폐에 손상을 줄 수 있음을 의미합니다.  라돈은 화하적으로 비활성, 무반응성이며 최고의 융점 및 비등점을 갖는 가장 무거운 노블 가스입니다. 라돈은 비극성 용매에 잘 녹고, 냉수에 조금 녹으며, 암석 및 토양을 통해 확산이 가능한 방사능 원소입니다.  라돈은 알파 붕괴를 해서 그 자원소인 폴로니움으로 변하는데, 그 반감기가 매우 짧습니다.  반감기란 원래 있던 양의 반이 없어지는데(남는데) 걸리는 시간으로, 우라늄의 연쇄 붕괴로 생기는 라돈의 반감기는 3.8일에 불과하며, 토륨의 붕괴로 생기는 라돈의 반감기는 심지어 55초 밖에 되지 않습니다.  이 것은 238U의 전체 붕괴 반감기가 약 44억 7천만년 정도인 것을 생각하면 매우 짧은 것입니다. 반감기가 짧다는 것은 같은 양의 방사능 원소이더라도 더 많은 방사선을 낸다는 뜻입니다.  특히 라돈의 정도의 짧은 반감기를 가진 방사능 원소는 우리 몸에 들어와 방사선을 방출하여 충분한 손상을 줄 수 있습니다.  이 것은 라돈이 왜 우리 건강에 위협이 되는지를 설명해주는 중요한 것들 중의 하나입니다.

라돈이 붕괴를 하여 만들어진 자원소는 모두 고체입니다. 이들 자원소들은 그러나 공기 중의 입자에 잘 흡착될 수 있습니다. 이는 라돈의 자원소들도 호흡을 통해 흡입되어 폐세포에 흡착하여 날숨을 통해 잘 배출되지 않을 수도 있음을 나타냅니다. 더욱이 자원소들의 반감기는 매우 짧은 편이며, 특히 직접 자원소인 폴로니움의 반감기는 라돈보다도 짧습니다.  라돈은 여러 단계의 붕괴를 거쳐 최후에 안정한 자원소인 납으로 바뀝니다. 이 단계를 거치는 동안 여러 차례의 알파 붕괴와 베타 붕괴를 하며 방사선을 내어 피해를 줍니다.

[slide #10]

라돈은 기체이기 때문에 폐쇄된 곳, 환기가 불량한 곳, 토양등과 통하는 갈라진 틈이 많은 곳, 온도가 높은 곳 등에 상대적으로 함량이 높을 수 있습니다.  그림은 라돈이 어떻게 여러 틈새를 따라 생활 공간으로 침투할 수 있는지를 보여주는 그림입니다.  라돈에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 틈을 메우고, 환기를 자주 시켜주며, 공기 중 라돈 양을 확인하는 것이 필요합니다.

지금까지 방사능 붕괴, 방사선, 방사능의 위험성, 그리고 라돈의 환경적 위협에 대해 설명드렸습니다.

다음 시간에는 원자력과 그 환경적 위협에 대해 말씀드리겠습니다. 안녕히 계십시오.

[끝]

심화 토론:

우리 나라에서 공기 중 라돈은 어떻게 규제되고 있는지 찾아봅시다.  관계 법령을 찾아 해당 조문을 읽어보고, 실제로 공공 장소 등이 해당 법령에 따라 관리되고 있는지 확인해 봅시다.