핵의학물리 1) 원자(Atom)

1) 원자(Atom)

(1) 원자의 구조

20세기 초 러더퍼드는 원자의 구조에 관한 중요한 실험 결과를 발표했는데, 이는 금속박막에 알파입자를 충돌시키는 실험이었다. 러더퍼드의 실험은 원자 내 핵의 존재를 확인시켜 주었다.

 

(4) 양성자, 중성자, 원자량

나. 원자량 및 표기법

원자량(atomic mass)이란 한 원자에서 원자핵이 가지고 있는 양성자의 수와 중성자의 수를 더한 것을 의미한다. 일반적으로 화학적으로 동일한 성질을 가지는 원자들의 질량이 서로 다르기도 하다는 것이 밝혀졌는데, 이는 양성자의 수는 동일하나 중성자의 수가 서로 다르기 때문이다. 양성자의 수는 동일하지만 원자량이 서로 다른 원자들은 화학적 성질은 동일하지만 질량은 서로 다르다. 그러므로 이들을 구분하기 위해서 다음과 같이 표시하는 것이 일반적이다.

위에서 A는 양성자의 수와 중성자의 수를 더한 원자량이고 Z는 원자번호로서 양성자의 수를 나타낸다. 전자의 수도 중성원자의 경우 양성자의 수와 같기 때문에 Z는 중성원자에서 전자의 수를 나타내기도 한다. N은 원자핵의 중성자 수를 나타낸다. N은 원자량에 A에서 원자번호 Z를 빼면 얻을 수 있는 값이므로 생략하기도 한다. 화학적 기호를 나타내는 X는 원자번호 Z에 따라 결정되는 기호인데 예를 들어 Z가 6인 탄소의 경우 C가 되고 Z가 8인 산소의 경우 O가 된다. Z에 해당하는 X는 주기율표에서 쉽게 찾을 수 있다. X를 알면 원자의 종류를 알 수 있기 때문에 간단히 원자를 다음과 같이 표기하기도 한다.

 

(5) 동위원소, 동중원소, 동중성자원소

동위원소는 원자핵을 구성하는 양성자, 중성자 중에 양성자의 수는 동일하고 중성자의 수는 다른 원소를 의미한다. 같은 동위원소들은 화학적 성질은 같지만 질량이 다른 특성을 갖는다. 동중성자원소는 양성자의 수는 다르고 중성자의 수가 동일한 원소를 의미한다. 이들 사이에는 특별한 공통점이 없고 화학적 성질도 다르다. 마지막으로 동중원소는 양성자, 중성자 수의 합이 동일한 원소들을 의미한다. 이들은 화학적 성질과 물리적 성질이 대부분 다르지만 원소의 질량은 거의 비슷하다. 

 

(6) 측정 단위

나. 고전적 단위

핵과학에서 광범위하게 사용되는 무게의 단위로서 원자질량단위(atomic mass unit, amu)라는 것이 있는데, 이는 간단히 'u'로 나타내며 탄소원자 하나의 무게를 탄소의 원자량인 12로 나누었을 때의 무게로 정의한다. 이 'u'는 SI 단위인 킬로그램(kg)과 당므과 같은 관계를 가지고 있다.

1 u = 1.66054 x 10^-27 kg

예를 들어 탄소원자 하나의 무게는 실제로 1.99265 x 10^-26 kg으로 이는 SI 단위계로 나타내려면 상당히 복잡한 것을 한 눈에 알 수 있다. 그러나 이를 원자질량단위로 나타내는 경우 매우 간단히 12 u로 나타낼 수 있다. 또 다른 예로써 원자량 16인 산소원자의 경우 15.9949 u로 나타낼 수 있는 등 많은 원자들의 무게를 이처럼 간단히 나타낼 수 있게 된다.

 

SI 단위가 아닌 단위 중 많이 사용되는 또 다른 것으로 전자볼트(eV)가 있다. 이는 +1가의 전하를 띤 입자가 1V의 전압차를 갖는 전극들 사이에서 가속되면서 얻게 되는 에너지를 말한다. 실험적으로 구한 'eV'의 에너지는 SI 단위인 줄과 다음과 같은 관계가 있다.

1 eV = 1.6022 x 10^-19 J

예를 들어 핵의학과에서 가장 널리 사용되는 단일광자선원인 99mTc으로부터 방출되는 방사선의 에너지는 SI 단위로 2.25115 x 10^-14 J이지만 이를 전자볼트 단위로 나타내면 140500  eV, 또는 140.5 keV로 매우 간단히 나타낸다.

 

아인슈타인은 상대성 이론으로부터 질량은 곧 에너지(E = mc^2)라는 유명한 공식을 이끌어냈다. 이를 이용하여 질량을 에너지 형태로 나타내기도 한다. 예를 들어 전자의 질량은 0.000549 u, 또는 9.1164 x 10^-31 kg으로 나타내는데, 이를 전자볼트 단위로 나타내면 5.11 x 10^5 eV, 또는 511 keV가 된다. 

 

다음으로 SI 단위와 함께 사용되는 것이 허용되지 않았지만 통상적으로 매우 빈번하게 사용되는 단위인 큐리(Ci)가 있는데, 이는 방사능을 나타내는 고전적 단위이다. 원래 1 Ci라고 하는 단위는 1 g의 226Ra으로부터 방출되는 방사능량에서 유래되었다. 방사능을 나타내는 SI 단위로는 베크렐(Bq)이 있는데, 이는 1초당 일어나는 방사성 붕괴의 수를 표현하며, 엄밀하게는 s^-1의 단위를 갖는다. 큐리는 베크렐과 다음과 같은 관계를 가진다.

1 Ci = 3.7 x 10^10 Bq

흔히 핵의학 검사를 위해 환자에게 투여하는 방사능량을 밀리큐리(mCi) 단위로 나타내는데, 1 mCi는 37 MBq과 같다.