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세슘

상태와 변화2016.10.24 14:59

   

세슘

(Caesium/Cesium, 원소 기호 Cs, 원자번호 55)은 무른 은백색의 알칼리 금속이다. 세슘에는 여러 동위원소가 있는데, 원자핵에 중성자를 82개를 갖고 있는 방사성 동위원소 세슘-137은 원자핵 분열 시 생기는 생성물 중 가장 잘 알려진 것이다. 이 동위원소는 방사선 치료 등 많은 분야에서 사용되기도 하지만, 원자력 발전소 사고나 핵무기 실험에서 생기는 방사능 오염 물질 중 가장 위험성이 큰 것이다. 세슘은 석유 시추, 원자시계, 여러 광 및 전자 장치 등에도 사용된다.

   

세슘은 무른 은백색의 알칼리 금속 원소이다. 녹는점이 28.5°C로 따뜻한 곳에서는 액체가 된다. <출처: (cc) Dnn87 at Wikipedia>

주된 세슘 광석인 폴루사이트. <출처: (cc) captmondo at Wikipedia>

   

세슘의 발견과 동위원소

세슘은 1860년에 독일 과학자 분젠(Robert Bunsen, 1811~1899)과 키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff, 1824~1887)가 광천수의 불꽃 스펙트럼에서 그 존재를 발견하였다. 그들이 발명한 분광기를 이용하여 발견한 첫 번째 원소이다. 스펙트럼에서 두 개의 진한 청색 선이 보이므로, 그리스어로 청색을 뜻하는 'caesius'를 따서 세슘으로 명명되었다. 분젠과 키르히호프는 무려 44톤의 광천수를 졸인 용액에서 여러 과정을 거쳐 최종적으로 7.3g의 염화세슘(CsCl)을 얻을 수 있었다. 금속 세슘은 1882년에 얻어졌다.

세슘은 비교적 희귀한 금속으로, 그 존재량은 지구 껍질의 100 만분의 3에 불과하다. 자연계에 존재하는 세슘은 거의 전부가 질량수가 133인 세슘-133인데, 이 동위 원소는 방사선을 내지 않는다. 방사성 동위원소인 세슘-135(반감기 230만 년)와 세슘-137(반감기 30년)은 자연계에 극미량 존재한다. 이외에도 30 여종의 세슘 동위원소가 알려져 있는데, 이들은 대부분 핵반응을 통해 인공적으로 합성된 것으로 반감기가 짧다. 세슘을 포함하는 주된 광물은 폴루사이트(pollucite)로, 전세계 매장량의 2/3 이상이 캐나다에 있다.

원자핵 붕괴로 만들어지는 방사성 세슘-137

우라늄이나 플루토늄이 중성자를 흡수하여 분열되면 보다 작은 여러 방사성 원자들이 생기고, 많은 에너지가 나온다. 이 에너지를 이용하는 것이 원자력 발전과 핵무기이다. 방사성 핵분열 생성물 중 오랫동안 환경에 큰 위험을 끼치는 것이 세슘-137과 스트론튬(Sr)-90(반감기 28.9년)이다. 이들은 각각 핵분열 생성물의 6.3%와 4.5%를 차지하며, 원자력 발전소 사고, 핵 실험, 그리고 핵폐기물에서 발생하는 방사능 오염의 주된 원인이다. 핵분열 생성물에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 세슘-135 (6.9%)이나, 이는 반감기가 아주 길고, 따라서 시간당 나오는 방사선의 양이 적어 세슘-137에 비해 위험성은 월등히 낮다. 방사성 세슘은 우라늄이나 플루토늄이 핵분열할 때, 기체 물질인 방사성 요오드(I)나 제논(Xe)을 거쳐 만들어진다. 이들 기체 물질은 바람이나 확산에 의해 멀리 떨어진 곳까지 이동하기 때문에, 방사성 세슘도 처음의 핵분열 장소에서 멀리 떨어진 곳에서도 발견된다.

세슘-137 원자핵은 베타(β-) 붕괴를 거쳐 이와 질량수는 같으나 원자번호가 하나 더 큰 바륨(Ba) 원자핵으로 전환된다. 이 때 생성되는 바륨 원자핵의 95%는 준안정한 상태인 바륨-137m이다. 바륨-137m은 비교적 강한 감마(γ)선을 내고는 안정한 바륨-137이 되는데, 반감기는 2.55일이다. 따라서 세슘-137에 의한 방사능 피해는 주로 바륨-137m에서 나오는 감마선 때문이다.

세슘-137의 생성과 방사능 붕괴를 표시한 식

   

세슘의 화학적 특성

세슘의 녹는점은 실온보다 약간 높은 28.5°C로, 금속 중에서 수은(녹는점 -38.7°C) 다음으로 낮다. 다른 알칼리 금속과 쉽게 합금을 만든다. 세슘 41%, 포타슘(칼륨, K) 47%, 그리고 소듐(Na) 12%로 이루어진 합금의 녹는점은 -78°C로, 금속성 합금 중 녹는점이 가장 낮다. 세슘은 자연계에 존재하는 원소 중 원자반경(0.264nm)이 가장 크다.

세슘은 반응성이 매우 큰 알칼리 금속으로 화학적 성질이 포타슘과 비슷하다. 공기 중에서 자발적으로 산소와 반응하여 불이 붙는 것은 물론, 찬물이 닿아도 폭발하고, -116 ˚C 이상의 온도에서는 얼음과도 반응한다. 따라서 금속 세슘은 밀폐된 용기에 든 수분이 없는 포화 탄화수소 속에 담가 보관하고, 취급 시에도 산소(공기)나 습기의 접촉을 피하여야 한다. 대부분의 화합물에서 세슘은 +1가 양이온으로 존재하며, 대부분의 세슘 염은 물에 잘 녹는다.

자연 상태의 세슘(세슘-133) 화합물은 독성이 약하고, 보통 사람들이 자연 상태에서 세슘 화합물을 접할 기회도 거의 없다. 예로, 염화세슘(CsCl)의 치사량은 소금(NaCl)이나 염화포타슘(KCl)의 치사량과 비슷하다. 따라서 방사성 세슘의 오염이 없는 경우에는, 세슘의 독성을 우려할 필요는 없다.

세슘-137의 방사능 위험과 유용성

최근 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고와 관련되어 자주 언급되는 세슘의 위험성은 주로 핵분열 생성물인 세슘-137에 의한 방사능 위험이다. 원자의 방사성 성질은 그 원자가 이온이 되거나 화합물을 만들어도 변하지 않는다. 다른 방사성 물질에 노출되었을 때와 마찬가지로, 세슘-137의 방사선에 노출되면 암에 걸릴 위험성이 커진다. 노출된 정도가 크면 화상을 입고 사망할 수도 있다.

세슘-137은 대표적인 방사성 동위원소 중 하나로 응용 범위가 넓다. 그러나 후쿠시마 원자력발전소 사고 등 방사능 유출 사고 시 큰 문제가 된다.

<출처 : (cc)³²P at Wikipedia (좌)>

   

생물체는 비방사성인 자연 상태의 세슘-133과 방사성인 핵분열 생성물 세슘-137을 구분하지 못한다. 세슘의 생물학적 성질은 포타슘(칼륨)과 비슷하므로, 생물체는 세슘을 필수 원소인 포타슘으로 오인하여 전해질로 흡수하고, 먹이 사슬을 통해 농축시킨다. 오염된 식품, 물, 먼지를 통해 인체 내로 들어온 세슘-137은, 신체 조직의 구성 원소가 아니기 때문에, 신체 전체에 비교적 골고루 퍼진다. 세슘의 생물학적 반감기(몸 안으로 들어온 어떤 물질의 반이 몸 밖으로 빠져나가는데 걸리는 시간)는 약 110일이다. 방사성 세슘-137로 오염된 사람에게는 프러시안 블루(Prussian Blue: 화학식 Fe7(CN)18·xH20)라 불리는 파란 염료를 응급 약으로 권장하고 있다. 프러시안 블루는 장에서 세슘과 착물을 만들어 몸이 세슘을 다시 흡수하는 것을 막아 보다 빨리 몸 밖으로 배출되게 한다. 이렇게 함으로써 세슘-137의 생물학적 반감기를 약 30일로 줄여, 신체가 방사능에 노출되는 시간을 줄이는 역할을 한다.

이처럼 세슘-137은 매우 위험한 방사성 동위원소이지만, 다른 한편으로는 다양한 산업 분야에서 유용하게 사용되기도 한다. 한 유형은 방사능을 이용한 농작물 처리, 암 치료, 식품 멸균 등이다. 또 다른 유형은 방사능 추적자로 사용하는 것인데, 수분, 밀도, 수평, 두께 등을 측정하는 아주 다양한 장치가 세슘-137을 사용하고 있다.

세슘의 이용

현재 세슘의 가장 큰 용도는 포름산세슘(HCOOCs)을 석유나 천연가스 시추에 사용하는 것이다. 이 화합물의 수용액은 밀도가 물의 2.4배까지 될 수 있어, 시추공에 높은 압력을 유지하고 윤활제 역할을 한다. 또한, 세슘 화합물은 석유화학 공업에서 여러 금속 이온 촉매의 효능을 높이는데 사용된다. 그리고 세슘 화합물 용액의 높은 밀도를 이용하여, 생물 관련 연구에서는 밀도 구배 원심분리(density-gradient centrifugation) 방법으로 생물 시료에 들어 있는 입자, 분자, 또는 조각들을 밀도에 따라 분리하는데 사용된다.

세슘을 포함한 합금으로 만들어진 음극은 보다 낮은 전압에서도 전자를 잘 내어 놓는다. 이 때문에 세슘은 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 광전지, 광전자 증배관, 비디오카메라, 그리고 여러 광학 장치 부품 등을 만드는 재료로 사용된다. 그리고 세슘의 할로겐 화합물 결정은 감마선이나 X-선을 검출하는 섬광 계측기에도 사용된다.

세슘 원자시계

   

미국 표준 시계로 활용되는 NIST-F1 세슘 원자 시계

   

원자시계는 원자의 두 전자 준위 사이에서 전이가 일어날 때 흡수하거나 내어놓는 고유한 전자파의 파장이나 진동수를 시간의 기준으로 삼은 것이다. 세슘 원자시계는 세슘-133 원자의 전자파를 기준으로 삼은 것으로, 1955년에 처음으로 만들어졌다. 1967년에 열린 국제도량형 총회에서는 세슘 원자시계를 국제 표준시계로 채택하였는데, 1초를 세슘-133의 바닥 상태에 있는 두 전자 준위 사이의 전이에 해당하는 전자파 주기의 91억 9263만 1770배로 정하였다. 주파수 측정의 정확성이 향상되면서, 이제 세슘 원자시계는 3000만 년에 약 1초가 벗어날 정도의 정확성을 갖고 있다. 우리나라에서는 한국 표준과학연구원이 1980년부터 세슘 원자시계를 설치 운영하고, 한국 표준 시간을 제공하고 있다.

  • 세슘
    영문표기 Caesium 혹은 Cesium. 원자번호 55번 원소. 표준원자량 132.91g/mol, 상온에서 고체이나 녹는점이 실온에 가까움. 녹는점 28.5°C, 끓는점 671°C, 밀도 1.93g/㎤. 발견자 분젠(Robert Bunsen, 1811~1899)과 키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff, 1824~1887). 발견 연도 1860년. 전자배열 [Xe] 6s1

    박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

       

    원본 위치 <http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=5015&path=|453|489|&leafId=638>

       

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