안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
동위 원소가 화학적 성질은 같고 물리적 성질만 다른 핵심 이유는 화학 반응을 결정하는 최외각 전자의 수가 동일한 반면, 중성자수의 차이로 원자 질량이 달라지기 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
화학 반응은 원자핵이 아닌 원자 주변을 도는 전자, 특히 가장 바깥쪽 껍질에 있는 최외각 전자의 공유·이동·배치에 의해 일어납니다. 동위 원소는 원자 번호가 같으므로, 전하를 띠지 않는 중성 원자 상태에서 전자의 총수와 전자 구름의 형태, 최외각 전자 수가 완벽하게 일치합니다. 다른 원자와 이온 결합이나 공유 결합을 맺을 때 전자를 주고받거나 나누어 갖는 방식이 똑같기 때문에 반응하는 물질의 종류, 결합 형태, 화합물의 수식 등 모든 화학적 성향이 동일합니다.
반면 물리적 성질이 다른 이유는 원자핵의 질량이 달라지기 때문입니다. 원자의 질량, 밀도, 확산 속도, 녹는점 및 끓는점 등은 입자의 질량에 직접적인 영향을 받습니다. 일례로 중수소로 이루어진 중수는 일반 물과 화학적 성질은 같지만 밀도가 더 높고 끓는점도 약간 높습니다.
한편 양성자와 중성자의 비율이 불균형하여 불안정한 원자핵을 가진 동위 원소를 방사성 동위 원소라고 합니다. 핵 내부의 균형이 깨지면 원자핵은 안정된 상태에 도달하기 위해 방사선을 방출하며 스스로 변환하는 방사성 붕괴를 일으킵니다. 이때 헬륨 원자핵을 방출하는 알파 붕괴, 중성자가 양성자로 바뀌는 베타 붕괴, 고에너지를 빛의 형태로 내보내는 감마 붕괴 등이 일어나며, 고유의 반감기를 거쳐 안정한 원소로 변하게 됩니다.