방사선취급감독자 공부 2강 | 핵종 표기: 원자번호·질량수·동위원소

핵종 표기를 읽는 기본은 ‘원소를 정하는 수’와 ‘원자핵을 이루는 입자의 수’를 구분하는 데 있습니다. 원자번호 Z, 질량수 A, 중성자 수 N의 관계를 이해하면 핵종 비교와 붕괴식 학습의 출발점이 마련됩니다. 이번 강의에서는 핵종 표기와 동위원소에 집중합니다.

1. 원자번호 Z와 질량수 A

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어지며, 두 입자를 통틀어 핵자라고 합니다. 원자번호 Z는 원자핵 속 양성자 수입니다. 원소의 종류는 Z로 결정됩니다. 양성자가 6개이면 탄소이고, 7개이면 질소입니다.[1]

질량수 A는 양성자 수와 중성자 수를 합한 값입니다. 중성자 수를 N이라 하면 다음 관계가 성립합니다.[2]

A = Z + N
N = A − Z

A, Z, N은 입자의 개수를 나타내는 정수이며 kg이나 g을 붙이지 않습니다. 특히 질량수는 원자 한 개의 실제 질량이나 주기율표에 표시된 원자량과 같은 개념이 아닙니다. ‘질량수 14’를 ‘질량이 14 g’이라고 해석하면 안 됩니다.

중성 원자는 양성자 수와 전자 수가 같지만, 전자가 빠져나가거나 들어와 이온이 되면 전자 수는 달라집니다. 전자 수가 바뀌어도 원자핵의 양성자 수가 그대로라면 Z는 바뀌지 않습니다. 따라서 원자번호를 정의할 때는 반드시 ‘양성자 수’라고 써야 합니다.

2. 핵종 표기 읽는 순서

원소 기호 X의 왼쪽 위에는 질량수 A를, 왼쪽 아래에는 원자번호 Z를 표시합니다. 그림 1의 탄소-14는 원소 기호 C의 왼쪽 위 14가 질량수 A, 왼쪽 아래 6이 원자번호 Z입니다. 중성자 수는 14 − 6 = 8입니다.

핵종 표기의 위치와 탄소 동위원소 비교

그림 1. 핵종 표기의 위치와 탄소 동위원소 비교. 그림의 숫자는 입자 수이며 실제 크기나 배열을 나타내지 않습니다. 자체 제작 설명도입니다.

원소 기호를 알면 Z도 정해지므로 아래 숫자를 생략하여 ¹⁴C라고 쓰기도 합니다. 탄소-14 또는 C-14처럼 원소명·기호 뒤에 질량수를 붙인 표기도 같은 핵종을 가리킵니다.

핵종은 원자번호와 질량수뿐 아니라 핵의 에너지 상태까지 고려하여 구별합니다.[3] 이번 강의에서는 별도 에너지 상태 표지가 없는 기본 표기를 다룹니다. 준안정 상태를 나타내는 m과 핵이성체는 이후에 구분하여 살펴볼 내용입니다.

읽는 순서는 ‘Z로 원소 확인 → A로 핵자 수 확인 → A − Z로 중성자 수 계산’입니다. 숫자의 위치와 뜻을 함께 읽으면 원소 기호만 보고 성질을 추정하는 실수를 줄일 수 있습니다.

3. 동위원소: 같은 Z, 다른 A

동위원소는 원자번호는 같고 질량수는 다른 핵종입니다.[4] 같은 원소이므로 양성자 수는 같고, 중성자 수가 다릅니다.

탄소-12와 탄소-14를 비교하면 다음과 같습니다.

- 탄소-12: Z = 6, A = 12, N = 6
- 탄소-14: Z = 6, A = 14, N = 8

두 핵종은 양성자가 각각 6개이므로 모두 탄소입니다. 중성자 수가 달라 질량수가 각각 12와 14가 되므로 서로 동위원소 관계입니다. 질량수가 같다는 이유만으로 동위원소라고 판단해서는 안 됩니다. 동위원소를 찾는 첫 기준은 ‘같은 Z’입니다.

또한 동위원소라는 말은 방사성동위원소만을 뜻하지 않습니다. 탄소-12는 안정하고, 탄소-14는 방사성붕괴를 합니다.[5] 같은 원소의 동위원소라도 핵의 안정성은 다를 수 있습니다. 핵종 표기의 숫자를 읽는 계산과 방사성 여부의 확인은 구별해야 합니다.

4. 짧은 예제: 두 핵종의 관계 판단

핵종 P는 Z = 8, A = 16이고, 핵종 Q는 Z = 8, A = 18입니다. 두 핵종의 중성자 수와 관계를 구하십시오. 여기서 P와 Q는 비교를 위한 이름이며 원소 기호가 아닙니다.

P의 중성자 수 = 16 − 8 = 8
Q의 중성자 수 = 18 − 8 = 10

두 핵종은 원자번호가 모두 8이므로 산소입니다. 질량수는 다르므로 산소-16과 산소-18은 동위원소 관계입니다. 이 문제의 계산만으로 방사성 여부나 반감기를 도출하지는 않습니다.

5. 복습 문제

원자번호가 6이고 중성자가 7개인 핵종의 질량수는 얼마입니까? 이 핵종은 탄소-14와 동위원소 관계입니까?

정답: 질량수는 13이며, 동위원소 관계입니다.

A = Z + N = 6 + 7 = 13이므로 탄소-13입니다. 탄소-14와 원자번호는 같고 질량수는 다릅니다. 전자 수나 실제 원자 질량을 계산할 필요 없이 Z와 A의 관계로 판정할 수 있습니다.

서술형 답안의 핵심은 다음과 같습니다. “원자번호 Z는 양성자 수이고, 질량수 A는 양성자 수와 중성자 수의 합이다. 따라서 중성자 수는 N = A − Z로 구한다. 동위원소는 원자번호가 같고 질량수가 다른 핵종이며, 동위원소라는 분류만으로 방사성 여부가 결정되지는 않는다.”