폴로늄-210

폴로늄-210(Polonium-210, ²¹⁰Po, Po-210, 역사적으로 라듐 F)는 폴로늄의 동위 원소이다. 138.376일(약 4+1⁄2개월)의 반감기를 가지고 안정한 ²⁰⁶Pb로 알파 붕괴를 하는데, 이는 자연적으로 발생하는 모든 폴로늄 동위 원소 중 가장 긴 반감기이다(^210–218Po).^[1] 1898년에 처음 확인되었고 원소 폴로늄의 발견을 알린 ²¹⁰Po는 우라늄-238과 라듐-226의 붕괴 사슬에서 생성된다. ²¹⁰Po는 환경에서 주요 오염 물질이며, 주로 해산물과 담배에 영향을 미친다. 그 극심한 독성도는 강렬한 방사능, 주로 쉽게 방사선 손상을 일으키는 알파 입자 때문인데, 이로 인해 주변 조직에 암을 유발할 수 있다. 210
Po의 비방사능은 166 TBq/g, 즉 1.66×10¹⁴ Bq/g이다. 동시에 ²¹⁰Po는 감마선의 에너지가 매우 낮기 때문에 일반적인 방사선 검출기로 쉽게 감지되지 않는다. 따라서 210
Po는 거의 순수한 알파 방출체로 간주될 수 있다.

폴로늄-210

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기본 정보
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역사

우라늄 계열 또는 라듐 계열로 알려진 우라늄-238의 붕괴 사슬. 폴로늄-210은 이 사슬의 일원이다.

S과정의 최종 단계 개략도. 붉은색 경로는 중성자 포획 순서를 나타내고, 파란색과 청록색 화살표는 베타 붕괴를 나타내며, 초록색 화살표는 ²¹⁰Po의 알파 붕괴를 나타낸다. ²¹⁰Bi와 ²¹⁰Po의 짧은 반감기가 더 무거운 원소의 형성을 막고, 대신 4번의 중성자 포획, 2번의 베타 붕괴, 그리고 1번의 알파 붕괴 주기로 이어진다.

1898년, 마리와 피에르 퀴리는 피치블렌드에서 강한 방사성 물질을 발견하고 그것이 새로운 원소임을 확인했다. 이것은 발견된 최초의 방사성 원소 중 하나였다. 그들은 이 원소를 마리의 고향인 폴란드의 이름을 따 폴로늄이라고 명명했다. 빌리 마르크발트는 1902년에 유사한 방사성 활동을 발견하고 동족 원소인 텔루륨과 화학적으로 추출되었기 때문에 라디오-텔루륨이라고 명명했으며, 거의 동시에 어니스트 러더퍼드는 우라늄 붕괴 사슬 분석에서 동일한 활동을 식별하고 이를 라듐 F(원래는 라듐 E)라고 명명했다. 1905년까지 러더퍼드는 이 모든 관찰이 동일한 물질인 ²¹⁰Po 때문이라고 결론지었다. 추가적인 발견과 1913년 프레더릭 소디가 처음 제안한 동위 원소 개념은 ²¹⁰Po를 우라늄 계열의 최종 단계 직전으로 확고히 자리매김하게 했다.^[2]

1943년, ²¹⁰Po는 데이턴 프로젝트의 일환으로 핵무기의 가능한 중성자 개시 장치로 연구되었다. 이후 수십 년 동안 ²¹⁰Po를 다루는 작업자들의 안전에 대한 우려로 인해 그 건강 영향에 대한 광범위한 연구가 이루어졌다.^[3]

1950년대, 오하이오주 마운드 연구소의 미국 원자력위원회 과학자들은 인공위성에 전력을 공급하기 위한 열원으로 방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)에 ²¹⁰Po를 사용하는 가능성을 탐구했다. 1958년까지 ²¹⁰Po를 사용하는 2.5-와트 원자력 전지가 개발되었다. 그러나 플루토늄-238이 87.7년이라는 더 긴 반감기를 가지고 있어 대신 선택되었다.^[4]

폴로늄-210은 2006년 러시아 반체제 인사이자 전 FSB 요원인 알렉산드르 V. 리트비넨코를 살해하는 데 사용되었으며,^[5][6] 2012년부터 2013년까지 야세르 아라파트의 사망 원인으로 의심되어 그의 시신을 발굴 및 분석한 결과 그러한 가능성이 제기되었다.^[7] 이 방사성 동위 원소는 유리 셰코치힌, 레차 이슬라모프 및 로만 체포프를 살해하는 데 사용되었을 수도 있다.^[8]

붕괴 특성

²¹⁰Po는 반감기가 138.376일인 알파 방출체이다.^[1] 이는 안정적인 ²⁰⁶Pb로 직접 붕괴한다. 대부분의 경우 ²¹⁰Po는 알파 입자만 방출하여 붕괴하며, 알파 입자와 감마선을 동시에 방출하지는 않는다. 약 100,000번의 붕괴 중 한 번만이 감마선을 방출한다.^[9]

${\displaystyle \mathrm {^{210}_{\ 84}Po\ {\xrightarrow[{138.376\ d}]{}}\ _{\ 82}^{206}Pb\ +_{\ 2}^{\ 4}He} }$

이러한 낮은 감마선 생성률 때문에 동위 원소 식별에 사용하기 어렵다. 감마선 분광법보다는 알파 입자 분광법이 이를 측정하는 가장 좋은 방법이다.

반감기가 훨씬 짧기 때문에 1밀리그램의 ²¹⁰Po는 5그램의 ²²⁶Ra만큼 많은 알파 입자를 초당 방출한다^[10] (즉, 1밀리그램은 5 퀴리이다). 몇 퀴리의 ²¹⁰Po는 주변 공기의 들뜸으로 인해 푸른 빛을 방출한다.

²¹⁰Po는 자연에 미량으로 존재하며, 우라늄 계열 붕괴 사슬에서 마지막 직전 동위 원소이다. ²¹⁰납과 ²¹⁰비스무스의 베타 붕괴를 통해 생성된다.

천체물리학적 S과정은 ²¹⁰Po의 붕괴로 인해 종료되는데, 이는 ²¹⁰Po의 짧은 수명 동안 추가적인 중성자 포획을 유도하기에 중성자 선속이 불충분하기 때문이다. 대신 ²¹⁰Po는 ²⁰⁶Pb로 알파 붕괴하고, ²⁰⁶Pb는 더 많은 중성자를 포획하여 ²¹⁰Po가 되고 이 주기를 반복하며 남은 중성자를 소모한다. 이로 인해 납과 비스무스가 축적되고, 토륨과 우라늄과 같은 더 무거운 원소는 훨씬 더 빠른 R-과정에서만 생성되도록 보장된다.^[11]

생산

고의적인 생산

²¹⁰Po는 자연에 미량으로 존재하지만(0.1 Ppb) 우라늄 광석에서 추출하기에는 충분히 풍부하지 않다. 대신 대부분의 ²¹⁰Po는 원자로에서 ²⁰⁹Bi에 중성자 폭격을 가하여 합성적으로 생산된다. 이 과정은 ²⁰⁹Bi를 ²¹⁰Bi로 변환시키고, ²¹⁰Bi는 5일의 반감기로 ²¹⁰Po로 베타 붕괴한다.^[12] 이 방법을 통해 매달 약 8 그램 (0.28 oz)의 ²¹⁰Po가 러시아에서 생산되어 상업적 용도로 미국으로 운송된다.^[3] 베릴륨과 같은 가벼운 원소 핵을 포함하는 특정 비스무스 염을 조사함으로써 계단식 (α,n) 반응을 유도하여 ²¹⁰Po를 대량으로 생산할 수도 있다.^[13]

부산물

폴로늄-210의 생산은 순수한 납 대신 납-비스무스 공융 합금으로 냉각되는 원자로의 단점이다. 그러나 이 합금의 공융 특성을 고려할 때, 일부 제안된 4세대 원자로 설계는 여전히 납-비스무스에 의존한다.

응용

1그램의 ²¹⁰Po는 140와트의 전력(열로)을 생성한다.^[14] 밀도가 높은 매체에서 매우 짧은 거리 내에 정지되어 에너지를 방출하는 알파선을 많이 방출하기 때문에 ²¹⁰Po는 인공위성의 열전지에 전력을 공급하는 경량 열원으로 사용되었다. ²¹⁰Po 열원은 달 표면에 배치된 루노호트 로버 각각에 장착되어 달밤 동안 내부 부품을 따뜻하게 유지했다.^[15] 사진 필름과 같은 재료의 정전기를 중화하는 데 사용되는 일부 정전기 방지 브러시는 대전 입자원으로서 몇 마이크로퀴리의 ²¹⁰Po를 포함한다.^{[16] 210}Po는 또한 베릴륨과의 (α,n) 반응을 통해 원자 폭탄의 개시 장치에도 사용되었다.^[17] (α,n) 반응에 의존하는 소형 중성자원도 감마선 방출이 비교적 적고(쉬운 차폐 가능) 비방사능이 높기 때문에 편리한 알파 입자원으로 폴로늄을 사용한다.

위험성

 이 부분의 본문은 폴로늄 § 생물학 및 독성입니다.

²¹⁰Po는 극히 유독하다. 이것과 다른 폴로늄 동위 원소들은 인간에게 가장 방사성 독성이 강한 물질 중 일부이다.^[5][18] 마이크로그램 단위의 ²¹⁰Po만으로도 일반 성인을 죽이기에 충분하며, 무게당 사이안화 수소보다 250,000배 더 유독하다.^[19] 이는 이온화 방사선인 알파선의 결과인데, 알파 입자는 체내 유기 조직에 특히 손상을 주기 때문이다. 그러나 ²¹⁰Po는 몸 밖에 보관될 때는 방사선 위험을 초래하지 않는다.^[20] 이가 생성하는 알파 입자는 죽은 피부 세포의 바깥층을 뚫을 수 없다.^[21]

²¹⁰Po의 독성은 전적으로 그 방사능에서 비롯된다. 그 자체로 화학적으로 유독하지는 않지만, 수용액에서와 그 염류의 용해도는 용액 내에서 체내 확산이 용이해지기 때문에 위험을 초래한다.^{[5] 210}Po는 주로 오염된 공기, 음식 또는 물, 그리고 개방된 상처를 통해 섭취된다. 일단 체내로 들어가면 ²¹⁰Po는 연조직(특히 그물내피계통)과 혈류에 농축된다. 그 생물학적 반감기는 약 50일이다.^[22]

환경에서 ²¹⁰Po는 해산물에 축적될 수 있다.^[23] 이는 발트해의 다양한 유기체에서 감지되었으며, 먹이 사슬 내에서 전파되어 오염시킬 수 있다.^{[18] 210}Po는 또한 주로 대기 중 라돈-222의 붕괴와 토양으로부터의 흡수를 통해 식물에 오염되는 것으로 알려져 있다.^[24]

특히 ²¹⁰Po는 담배 잎에 부착되고 농축된다.^[3][22] 담배 속 ²¹⁰Po의 높은 농도는 1964년에 이미 기록되었으며, 흡연자들은 ²¹⁰Po와 그 모원소인 ²¹⁰Pb로부터 훨씬 더 많은 방사선량에 노출되는 것으로 밝혀졌다.^[24] 과도한 흡연자는 체르노빌 낙진이 우크라이나에서 폴란드로 이동했을 때 개인이 받은 방사선량과 동일한 양의 방사선(추정치는 연간 100 µSv^[18]에서 160 mSv^[25]까지 다양함)에 노출될 수 있다.^[18] 결과적으로 ²¹⁰Po는 담배 연기를 통해 흡입될 때 가장 위험하다.^[26]