동위 원소와 원자량

주기율표에는 염소의 원자량이 약 35.45로 적혀 있지만, 무게가 35.45인 염소 원자는 하나도 없습니다. 모두 염소-35 아니면 염소-37입니다.

같은 원소, 다른 무게

같은 원소의 동위 원소는 양성자 수와 전자 수가 같아서 반응할 때 똑같이 행동합니다. 다른 것은 중성자 수뿐이고, 그래서 질량이 다릅니다. 수소가 좋은 예입니다. 보통 수소에는 중성자가 하나도 없습니다. 중수소는 중성자가 1개라서 약 두 배 무겁고, 삼중수소는 2개이며 방사성입니다. NIST 측정값으로 자연의 수소는 99.9885%가 보통 수소, 0.0115%가 중수소입니다.

35.45는 어디서 나올까

주기율표에 적힌 원자량은 자연에 있는 그 원소의 원자 전체를 평균한 값으로, 동위 원소마다 얼마나 흔한지에 따라 무게를 달리 둡니다. 질량은 탄소-12 원자 하나를 정확히 12로 정한 원자 질량 단위로 잽니다. 염소의 경우 NIST 값은 염소-35가 질량 34.969에 비율 75.76%, 염소-37이 질량 36.966에 비율 24.24%입니다.

질량에 비율을 곱해 더하면 34.969 × 0.7576 + 36.966 × 0.2424 ≈ 26.49 + 8.96 ≈ 35.45입니다. 염소 원자 넷 중 셋이 가벼운 쪽이라서 평균이 37보다 35에 훨씬 가깝습니다. 탄소도 같은 방법으로 12 × 0.9893 + 13.003 × 0.0107을 계산하면 약 12.011이 나옵니다. 그래서 탄소의 원자량은 12보다 조금 큽니다.

동위 원소의 질량은 정수에 가깝지만 정확히 정수는 아닙니다. 염소-35의 질량수는 양성자 17개와 중성자 18개를 센 35이지만, 측정한 질량은 34.969입니다. 질량수는 개수라서 늘 정수이고, 측정 질량은 그렇지 않습니다. 양성자와 중성자가 정확히 1단위씩이 아니고, 원자핵을 묶는 데 질량 일부가 쓰이기 때문입니다.

NIST는 염소의 원자량을 하나의 값이 아니라 35.446에서 35.457까지의 범위로 적습니다. 어디서 얻은 시료인지에 따라 염소-37의 비율이 조금씩 다르기 때문입니다. 보통은 반올림한 35.45를 씁니다. 수소와 탄소를 비롯한 몇몇 원소도 같은 이유로 범위로 적혀 있습니다.

불안정한 동위 원소

어떤 동위 원소는 불안정해서 방사선을 내며 천천히 다른 원소로 바뀝니다. 탄소-14도 그중 하나입니다. NIST 설명에 따르면 탄소-14는 어떤 양이든 5,730년이 지나면 절반이 질소-14로 바뀝니다. 이 일정한 시간을 반감기라고 합니다. 생물은 살아 있는 동안 아주 적은 양의 탄소-14를 포함한 탄소를 계속 받아들입니다. 죽은 뒤에는 탄소-14가 더 채워지지 않고 5,730년마다 절반으로 줄어들기 때문에, 남은 양을 재면 뼈나 씨앗, 오래된 모닥불 자리가 얼마나 오래되었는지 알 수 있습니다.

흔히 만나는 동위 원소는 대부분 안정합니다. 탄소-12와 탄소-13은 저절로 바뀌지 않고, 염소의 두 동위 원소와 보통 수소, 중수소도 마찬가지입니다. 위 표의 동위 원소 여덟 가지 중 방사성인 것은 삼중수소와 탄소-14뿐입니다.