방사능: 어떤 원자는 왜 스스로 무너지는가

1896년 2월 마지막 주, 앙리 베크렐은 해를 기다리며 발이 묶여 있었다. 파리의 국립자연사박물관 실험실에서 일하던 그는 인광을 내는 우라늄 염을 연구하고 있었는데, 햇빛으로 충전된 결정이 빌헬름 뢴트겐이 그 전해 11월에 발표한 신비한 새 광선을 내뿜을지도 모른다고 기대하고 있었다. 그의 계획은 단순했다. 염이 햇빛을 흠뻑 머금게 한 뒤, 두꺼운 검은 종이로 감싼 사진 건판 위에 올려놓고, 무언가가 그 포장을 뚫고 들어오는지 확인하는 것이었다. 그러나 파리는 며칠간 잔뜩 흐렸고, 결정을 충전할 햇빛이 없자 베크렐은 잠시 단념하고는, 포장된 건판 위에 염을 올려둔 그 장치 전체를 서랍 속에 밀어 넣었다.

마침내 3월 1일에 그 건판을 현상했을 때, 그는 우라늄 염의 윤곽이 또렷하게, 선명하고 분명하게 그 위에 찍혀 있는 것을 발견했다. 햇빛은 결정에 한 번도 닿은 적이 없었다. 건판을 노출시킨 무언가는 우라늄 바깥에서 온 것이 아니라 그 안에서 나온 것이었으니, 그것은 염이 어둠 속에서, 겉으로 보이는 에너지원도 없이, 전적으로 스스로 만들어 낸 방출이었다. 베크렐은 아무도 짐작하지 못했던 물질의 한 성질에 우연히 발을 디딘 것이다. 어떤 원자들은 전혀 안정하지 않으며, 자기만의 일정에 따라 스스로 무너지면서 방사선을 뿜어낸다.

이 글은 파리의 서랍에서 시작된 그 실마리를 현대의 병원과 지구의 연대 측정에 이르기까지 따라간다. 불안정한 원자에서 실제로 무엇이 나오는가, 어떤 것은 왜 몇 분 만에 붕괴하고 다른 것은 수십억 년에 걸쳐 붕괴하는가, 그리고 왜 이 모든 것은 열과 압력과 결합이라는 평범한 화학으로는 전혀 건드릴 수 없는가?

서랍 속의 우연이 새로운 과학이 되다

베크렐의 결과가 얼마나 기이한지는 자칫 가볍게 넘기기 쉽다. 불과 몇 달 앞서 발견된 뢴트겐의 X선은 장치가 필요했다. 진공관, 고전압, 그리고 금속에 부딪치는 전자의 흐름이 있어야 했다. 베크렐의 우라늄은 아무것도 필요로 하지 않았으니, 닫힌 서랍 속에 가만히 놓인 채로도 똑같이 방사선을 내뿜었다. 흐린 날씨는 실험을 망치기는커녕 오히려 발견을 가능하게 한 요인이었다. 햇빛이라는 설명을 제거함으로써 우라늄 자체만을 유일한 원천으로 남겨 두었기 때문이다.

이 현상은 파리에 있던 폴란드 태생의 젊은 물리학자에게서 옹호자를 만났다. 마리 스크워도프스카 퀴리는 남편 피에르 퀴리와 함께 베크렐의 수수께끼를 이어받아 훨씬 더 멀리 밀고 나아갔다. 1898년 파리 산업물리화학학교에서 시작해, 퀴리 부부는 보헤미아 광산에서 나온 검은 우라늄 광석인 역청우라늄석을 몇 톤씩 처리하며, 그것을 분획마다 화학적으로 분리하고 각 분획의 활성도를 측정했다. 어떤 분획은 우라늄 함량만으로는 설명할 수 없을 만큼 훨씬 더 활성이 강했는데, 이는 그 광석에 더 격렬하게 방사선을 내뿜는 다른 원소들이 극미량 들어 있다는 뜻이었다. 이 고된 작업으로부터 그들은 두 가지 새로운 원소를 분리해 냈으니, 폴로늄(마리의 조국 이름을 딴 것)과 라듐이었고, 후자는 우라늄 자체보다 대략 백만 배나 더 방사성이 강했다.

뒤따른 인정은 역사적이었다. 마리 퀴리는 1903년 노벨 물리학상을 피에르, 베크렐과 함께 받았고, 1911년에는 라듐 분리의 공로로 노벨 화학상을 받았다. 그녀는 지금까지도 서로 다른 두 분야의 과학에서 노벨상을 받은 유일한 인물로 남아 있다. 방사능, 곧 불안정한 원자핵에서 입자나 방사선이 자발적으로 방출되는 현상을 가리키는 이 말은 그녀가 붙인 것이었다.

자석으로 가려낸 세 종류의 광선

불안정한 원자가 무언가를 방출한다면, 다음에 떠오르는 당연한 질문은 그것이 무엇이냐는 것이다. 그 답은 하나가 아니라 셋으로 드러났고, 이를 풀어낸 사람은 어니스트 러더퍼드였다. 1899년 맥길 대학교에서 그는 방사선을 자기장 속으로 통과시키고는, 그것이 서로 다른 방향으로 서로 다른 정도만큼 휘어지는 별개의 성분들로 갈라지는 것을 지켜보았다. 자기장은 움직이는 전하를 휘게 하므로, 각 성분이 휘어지는 방식은 그 전하와 대략적인 질량을 드러냈다. 러더퍼드는 그리스 문자의 첫 글자들을 따서 이 셋을 알파, 베타, 감마라고 이름 붙였다.

알파 입자는 헬륨-4 원자핵이다. 즉 양성자 둘과 중성자 둘이 함께 묶인 것으로, +2의 전하와 약 4원자질량단위의 질량을 지닌다. 방사선치고는 무겁고 느리며, 에너지가 크긴 하지만 접촉하는 순간 거의 즉시 그 에너지를 잃기 때문에, 종이 한 장이나 피부의 죽은 바깥층만으로도 막을 수 있다.

베타-마이너스 입자는 전자이지만, 원자의 바깥 껍질에서 떼어낸 것이 아니다. 그것은 붕괴의 순간에 만들어지는데, 핵 속의 중성자 하나가 양성자, 전자, 반중성미자로 변환되면서 뒤의 둘을 내보낼 때 생겨난다. 전하는 마이너스 1이고 질량은 극히 작다. 가볍고 빠르기에 베타 입자는 알파보다 더 깊이 뚫고 들어가지만, 몇 밀리미터 두께의 알루미늄이면 흡수된다.

감마 방사선은 종류 자체가 다르다. 그것은 물질의 입자가 전혀 아니라 고에너지 광자, 곧 질량도 전하도 없는 전자기 방사선의 한 다발이며, 그래서 자석이 그것을 휘게 하지 못한다. 붙들 전하도 없고 멈춰 세울 질량도 없으니, 감마선은 물질을 쉽게 통과하며, 이를 약화시키려면 수 센티미터 두께의 조밀한 납이나 수십 센티미터의 콘크리트가 필요하다. 장비를 멸균하고 인체를 영상화하는 데 유용하게 만드는 그 성질이, 동시에 셋 중 가장 차폐하기 어렵게 만든다.

무엇으로도 늦출 수 없는 시계

불안정한 핵에서 무엇이 나오는지 알아도, 가장 깊은 질문은 여전히 남는다. 언제냐는 것이다. 어떤 우라늄 원자 하나는 십억 년 동안 변치 않고 있을 수 있는 반면, 수명이 짧은 동위원소의 원자 하나는 다음 순간에 붕괴할 수도 있으며, 어느 쪽일지 예측할 방법은 없다. 붕괴는 근본적으로 통계적이며, 이를 지배하는 법칙이 바로 반감기, 곧 어떤 방사성 시료의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간이다.

그 셈법은 깔끔하다. 반감기 하나가 지나면 원래 핵의 절반이 남는다. 둘이 지나면 4분의 1. 셋이 지나면 8분의 1. n번의 반감기가 지나면 남는 비율은 2의 n제곱분의 1이다. 시료는 결코 완전히 0에 이르지 않는다. 그저 계속 절반으로 줄어들 뿐이다. 놀라운 점은 이 시계가 얼마나 완고한가 하는 것이다. 반감기는 핵 자체의 성질로서 각 동위원소마다 고정되어 있으며, 온도, 압력, 화학 결합, 혹은 물질의 양에 좌우되지 않는데, 이 점이 방사능을 화학자가 연구하는 거의 모든 다른 것들과 구별 짓는다.

각 동위원소는 저마다의 시간을 지키며, 그 폭은 어마어마하다. 탄소-14는 반감기가 5,730년이고, 우라늄-238은 약 45억 년으로 지구의 나이에 견줄 만하며, 핵분열 생성물인 아이오딘-131은 단 8.02일 만에 붕괴한다. 세 동위원소, 엄청나게 다른 속도의 세 시계, 그러나 모두 똑같이 단순한 절반의 법칙이 지배한다.

매머드에서 지구까지, 시간 그 자체를 읽다

각 동위원소가 고정된 속도로 붕괴하기 때문에, 방사성 시료는 하나의 시계이며, 얼마나 붕괴했는지를 측정함으로써 흘러간 시간을 읽어낼 수 있다. 관건은 시계를 질문에 맞추는 것인데, 어떤 동위원소든 자기 반감기 정도의 시간 규모에 있는 대상을 연대 측정하는 데만 쓸모가 있기 때문이다.

탄소-14는 가까운 과거를 위한 시계다. 살아 있는 것들은 끊임없이 탄소를 받아들이며, 거기에는 방사성 탄소-14의 일정한 미량도 포함되는데, 죽으면 그 흡수가 멈추고 그 뒤로 탄소-14는 그저 붕괴한다. 그래서 남은 양을 측정하면 죽은 이후 흘러간 시간을 알 수 있다. 5,730년의 반감기 덕분에 탄소-14는 수백 년 된 유기물부터 약 5만 년 된 것까지 믿을 만하게 연대 측정할 수 있으며, 그 너머로는 남은 양이 너무 적어 측정할 수 없다. 이 기법은 1949년 시카고 대학교의 윌러드 리비가 개발했으며, 고고학을 완전히 바꾸어 놓았다.

아주 먼 시간에는 훨씬 더 느린 시계가 필요하다. 45억 년마다 한 번씩만 절반으로 줄어드는 우라늄-238은 태양계에서 가장 오래된 천체들을 연대 측정한다. 가장 오래된 운석들은 약 45억 6,700만 년 전으로 나오고, 살아남은 지구상의 가장 오래된 광물인 서호주의 작디작은 지르콘 결정은 약 44억 년 전으로 측정된다. 시계를 시간 규모에 맞춰라. 플라이스토세의 매머드를 우라늄으로 연대 측정하지 않을 것이고, 하데스대의 지르콘을 탄소로 측정하지도 않을 것이다.

임상 현장 안에서, 110분의 마감 시한

방사능은 과거를 돌아보는 도구일 뿐만 아니라 현대 의학의 일꾼이기도 한데, 여기서는 반감기가 한 부서 전체의 운영 방식을 좌우한다. 양전자방출단층촬영, 곧 PET 검사를 보자. 그것은 플루오린-18에 의존하는데, 이 동위원소는 전자의 반물질 짝인 양전자를 방출하며 붕괴하고, 반감기는 110분이다. 플루오린-18은 플루오로데옥시글루코스, 곧 FDG에 끼워 넣어지는데, 이는 포도당을 닮은 물질로 몸에서 가장 굶주린 세포들이 앞다투어 흡수한다.

환자에게 주입된 뒤, 많은 종양과 뇌와 심장처럼 포도당 수요가 높은 조직들이 FDG를 받아들여 농축한다. 방출된 각 양전자는 아주 짧은 거리를 이동하다가 전자를 만나는데, 그 순간 둘은 소멸하면서 자신들의 질량을 한 쌍의 감마 광자로 바꾸고, 그 광자들은 각각 511킬로전자볼트를 지닌 채 정확히 반대 방향으로 날아간다. 스캐너의 검출기 고리가 둘 다를 잡아내어 그 사이의 직선을 추적함으로써, 포도당이 어디에서 소비되는지를 지도로 그린다.

그 110분의 시계가 이 시술과 관련된 모든 것을 지배한다. 플루오린-18은 미리 만들어 저장해 둘 수 없으니, 몇 시간 안에 그 대부분이 사라진다. 따라서 PET 센터는 자체 사이클로트론을 현장에 두거나, 분 단위로 맞춘 당일 배송을 받아야 하며, 쓰지 않은 선량은 그저 붕괴로 사라진다. 여기서 반감기의 물리는 추상이 아니다. 그것은 배송 일정표다.

하나의 자로 피폭을 재다

방사선은 사람들을 불안하게 만드는데, 한편으로는 눈에 보이지 않기 때문이고 다른 한편으로는 그 수치가 낯설기 때문이다. 살아 있는 조직이 흡수한 선량은 시버트로 측정하지만, 그 척도를 더 직관적으로 가늠하는 방법은 바나나다. 보통의 바나나에는 칼륨이 들어 있고 그중 작은 일부가 방사성 칼륨-40이므로, 하나를 먹으면 약 0.1마이크로시버트가 전달된다. 이것은 비공식적이지만 진짜로 쓸모 있는 잣대, 곧 바나나 등가 선량을 제공한다.

비교를 해 보면 명료해진다. 가슴 X선 한 장은 약 100마이크로시버트, 즉 바나나 약 천 개에 해당한다. 더 얇은 대기가 더 많은 우주 방사선을 통과시키는 대서양 횡단 비행은 약 40개를 준다. 미국에서 자연 배경 위로 허용되는 연간 공중 선량 한도는 1,000마이크로시버트, 즉 바나나 약 만 개다. 급성 방사선 증후군은 약 1,000,000마이크로시버트, 즉 바나나 천만 개에 이르러서야 시작되는데, 이는 일상에서 마주치는 어떤 것보다도 수만 배 높은 수치다. 이것들을 나란히 놓고 본다고 해서 방사선이 무해해지는 것은 아니지만, 검사 한 번과 재앙이 서로 결코 가까이 있지 않은 척도 위에 각 피폭을 정직하게 자리매김해 준다.

화학이 왜 핵에 닿을 수 없는가

이 모든 것의 밑바탕에는 학생들이 한결같이 직관에 어긋난다고 느끼는 한 가지 사실이 있다. 방사성 붕괴는 화학적 과정이 아니라 핵 과정이며, 화학의 평범한 지렛대들은 그것에 닿지 못한다는 것이다. 화학 반응 속도는 온도, 압력, 농도, 그리고 원자가 형성하는 결합에 민감하게 좌우되지만, 방사성 붕괴는 그중 어느 것에도 좌우되지 않는다. 우라늄 시료를 액체 헬륨 온도까지 냉각해도 붕괴가 느려지지 않고, 녹는점까지 가열해도 빨라지지 않으며, 산에 녹여도 시계는 전혀 움직이지 않는다. 붕괴는 모든 화학이 일어나는 전자 껍질보다 훨씬 아래, 핵 깊은 곳에서 벌어지기 때문이다.

에너지 척도가 그 분리를 생생하게 보여준다. 화학 결합 하나를 끊는 데는 몇 전자볼트가 관여하는 반면, 핵 전이는 몇 메가전자볼트, 곧 약 백만 배 큰 에너지를 방출한다. 핵은 전혀 다른 영역에서 작동한다.

마지막 한 가지 구분이 흔한 혼동을 막아 준다. 반감기는 수명이 아니다. 그것은 큰 집단의 절반이 붕괴하는 데 얼마나 걸리는지를 알려줄 뿐, 어떤 개별 핵도 정해진 수명을 갖지 않는데, 붕괴가 순전히 통계적이기 때문이다. 이는 겉보기의 역설을 설명해 준다. 긴 반감기는 동위원소를 같은 질량 기준으로 덜 위험하게 만드는데, 매초 붕괴하는 핵의 수가 더 적기 때문이다. 45억 년에 걸쳐 절반으로 줄어드는 우라늄-238은 활성이 미약하여 적당한 양이라면 손으로 다뤄도 안전하지만, 같은 질량의 아이오딘-131은 8일 만에 절반으로 줄어들기에 급성으로 위험할 것이다.

핵심 요약

방사능은 불안정한 원자핵에서 입자나 방사선이 자발적으로 방출되는 현상으로, 1896년 3월 앙리 베크렐이 어둠 속에서 포장된 사진 건판에 우라늄 염이 스스로의 모습을 새기는 것을 발견하며 드러났고, 1898년 마리와 피에르 퀴리가 보헤미아의 역청우라늄석에서 폴로늄과 라듐을 분리했으며, 1899년 어니스트 러더퍼드가 자기장 편향으로 방사선을 알파(전하 +2의 헬륨-4 원자핵, 종이로 막힘), 베타(중성자가 양성자로 바뀔 때 생겨나는 전자, 몇 밀리미터의 알루미늄으로 막힘), 감마(전하도 질량도 없는 고에너지 광자, 수 센티미터의 납이 필요함)로 분류했다. 그 정량적 골격은 반감기, 곧 어떤 시료의 절반이 붕괴하는 고정된 시간으로, 이는 온도, 압력, 화학, 양과 무관한 핵 고유의 성질이며, 방사성 탄소 연대 측정에 쓰이는 5,730년의 탄소-14에서 시작해 PET 영상에 쓰이는 8.02일의 아이오딘-131과 110분의 플루오린-18을 거쳐 지구의 연대 측정에 쓰이는 45억 년의 우라늄-238에 이르기까지 그 폭이 넓다. 한편 바나나 등가 선량(각각 약 0.1마이크로시버트)은 모든 피폭을 하나의 정직한 자 위에 놓아 주며, 반감기가 수명이 아니라 통계적이라는 사실은 수명이 긴 동위원소가 같은 질량 기준으로 더 안전한 쪽인 이유를 설명해 준다.