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세슘

last modified: 2015-04-07 07:08:55 by Contributors

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고이아니아 사건의 염화세슘가루
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C(a)esium[1]
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알칼리 금속원소의 일종으로, 원자번호는 55번.


알칼리 금속의 맨 마지막에서 두 번째 원소지만 맨 마지막 원소인 프랑슘은 지구에서 2번째로 희귀한 원소인데다가(1등은 아스타틴) 제일 안정한 동위원소반감기가 22분[2]인 방사성 원소라 화학적 연구가 거의 없다시피해서 사실상 이 세슘을 알칼리 금속의 맨 마지막으로 치는 분위기다.

1859년, 과 키르히호프는 금속의 꽃 반응 등의 빛을 (스펙트럼)으로 나누는 것이 가능한 분광기라는 광학기기를 발명했다. 이것을 이용해 광천수의 불꽃 반응을 조사하자 두 가닥의 이상한 푸른 선을 발견했다. 그 후의 연구에 의해, 그 푸른 선이 나타내는 원소는 알칼리 금속이라는 것을 알아차리고 스펙트럼의 색에서 세슘[3]이라는 이름을 붙였다.

공기 중에서도 쉽게 산화하고 가루 세슘도 자연발화한다. 게다가 물과도 폭발적으로 반응하기 때문에 소방법에서도 위험물로 지정하고 있다.[4] 나트륨이나 칼륨도 물에 넣으면 불꽃을 내면서 타는데, 세슘은 수조에 던져넣으면 발생하는 열에 의해서, 그리고 안 그래도 발생한 수소 기체가 그 열에 의해 폭발하며 수조가 깨진다. 세슘 덩어리를 물속에 던지면, 플라스틱 대야에 구멍이 뚫릴정도로 강한 폭발이 일어난다.
2 Cs + 2 H2O → 2 CsOH + H2

알칼리 금속의 반응을 순서대로 나열해 봤다. 맨 마지막이 세슘.

세슘이 물에 잘 녹는다는 신문 기사도 있는 것 같은데... 위의 물과의 반응부터 보고 오자. 아무래도 세슘 화합물이 대체적으로 물에 잘 녹는다는 것과 착각한 듯. 수산화세슘 (CsOH)이 잘 녹는다. 어차피 세슘을 물에 투입하면 폭발적으로 CsOH가 되면서 물에 녹아드니까 세슘도 물에 잘 녹는 거 맞다. 원래 화학에서 용해도를 따질 땐 그 물질이 용매 안에서 어떤 상태로 있는지는 신경 안 쓴다. "용매에 넣었더니 용질 형태가 없어졌네요?"면 전부 용해로 보는 것. 소금 용해도(359 g/L)의 10배(3000 g/L). 다른 세슘의 염(salt)도 물에 녹는다. 다만 겹염(double salt)는 잘 녹지 않는다.
해당 동영상에서 세슘덩어리를 던져넣은 직후에 반응이 없던 것은 기본적으로 모든 알칼리 금속이 반응성이 무지 좋다보니 공기 중에 산소나 수증기 등을 막기위해 석유에 담가놓고 보관하는 이유도 있다. 즉 석유가 막을 이루고 있기 때문에 던져넣은 직후에는 반응을 안하는 것처럼 보이는 것.

세슘 원자의 고유진동수를 이용한 세슘시계가 유명하다. 세슘시계는 30만년에 1초 정도의 오차를 낼 정도로 정확한 정밀도를 자랑한다.

아니, 사실 시간을 정의하는 기준을 세슘으로 하고 있다. 1967년 국제도량형총회(CGPM)에서 1초의 정의를 '세슘의 동위원소인 세슘-133 원자의 바닥상태에서의 두 초미세 에너지 준위간의 전이에서 방출되는 복사선의 91억 9263만 1770주기'(간단히 이야기하자면, 세슘-133 원자에서 방출된 특정한 파장의 빛이 9,192,631,770번 진동하는 데 걸리는 시간)로 정의하였기 때문[5]. 원소주기에서 세슘 캐릭터가 시계를 목에 걸고 있는 것도 이런 이유 때문이다. 세슘 시계는 각종 표준시스템과 GPS 위성에서 사용한다.

세슘에는 약 30종의 동위원소가 있는데, 이 중 세슘-133 만이 안정한 형태이고 나머지는 다 자연 붕괴한다. 세슘은 칼륨과 비슷한 화학적 성질을 가지므로 생체 내로 마치 칼륨처럼 흡수된다. 동위원소의 방사능이 약한 것도 있고 강한 것도 있는데, 문제는 설령 방사능이 약한 것이라도 생체 내에 흡수되면 위험하다는 것이다. 몸 안쪽에서 방사선을 내뿜기 때문이다. 다만 세슘은 신체로부터 배출되는 기간이 아주 길지는 않아 그나마 다행이다. 약 110일의 생물학적 반감기[6]를 가진다. 또한 응급약인 프러시안 블루를 먹으면 생물학적 반감기가 30일로 줄어들 수도 있다.

여러 방사성 동위원소 중 세슘-137은 감마선을 내기 때문에 더 위험하다.일본인은 먹어도 안전한 듯 하다 당연하지 지금 일본 특산물이 이거니까피부를 뚫고 들어갈 수 있기 때문이다. 1987년에 이 물질에 멋모르고 손댔다가 4명이 죽고 200명 이상이 피폭당한 고이아니아 사건이 있었다. 세슘-137의 반감기는 약 30년이며, 분열 부산물로 생기는 물질이다. 세슘-137의 감마선은 살균이나 방사선 치료 등에 사용된다. 정확히는 세슘 상태에서 감마선이 나오는 것은 아니고, 일단 세슘-137이 바륨(Ba)-137m으로 변하고 이 바륨이 붕괴하면서 감마선을 방출한다.

세슘-137은 자연계에서도 우라늄과 토륨의 자발핵분열을 통해 미량 생성되지만 워낙 극미량이라 사실상 무시해도 될 양이다. 따라서 유일한 대량 생산은 핵발전이나 핵무기의 폭발을 통해서나 가능하므로, 최초의 핵실험이 있었던 1945년 이전에는 세슘-137이란 원소는 자연 속에서 존재하지 않았다. 덕분에 세슘-137은 포도주를 감별하는 데에도 쓰인다. 포도주를 검사했는데 그 포도주에 세슘-137이 발견된다면, 그 포도주는 1945년 이후에 만들어진 것 이라는 뜻이 된다. # # 인류 탄생 훨씬 전에는 존재했을 가능성도 있다. 선캄브리아대의 오클로 원자로에서 나온 것인데, 십몇억년 전에 끝난 일이다.

원자력 사고시에 요오드와 더불어 식품의 오염 지표물질로 사용된다. 즉, 방사능 요오드와 세슘을 조사하여 식품의 오염 정도를 추산하는데 사용된다. 다른 방사능 물질도 물론 위험하지만, 검사의 편의상 요오드와 세슘만 검사해서 어느 정도 오염되었는지 본다는 것이다. # 방사능 홍차가 아닌 다음에야 다른 오염물질은 있는데 세슘만 없을리가 없기때문이다. 핵실험마다 꼭 방출되기도 하고.

그러나 보통의 세슘은 방사능과 무관하고 따라서 위험하지 않다. (물론 금속이나 화합물을 반응시키지 않는다면). '죽음의 재' 라고 불리기도 하나, 이는 방사성 동위원소, 특히 세슘-134나 세슘-137에만 해당하는 것이다.

여기서 세슘-137이 반감기도 적당히 긴 30.167년이나 되므로 가장 위험하다. 세슘-137이 안전해질려면 950년 이상의 긴 시간이 필요하다.

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  • [1] 영어식 발음은 시지엄
  • [2] 기껏 구해놓은 프랑슘이 22분마다 절반으로 붕괴하여 없어진다는 이야기다.
  • [3] 라틴어로 '청회색, 푸른 하늘색'을 의미하는 Caesius에서. 하지만 순수한 세슘은 위 사진에도 보이듯 연한 금색을 띤다.
  • [4] 실제 유통을 할때에는 진공 상태로 유통이 된다.
  • [5] 하지만 일반인들의 상식에서 1초는 지구 자전 주기의 1/86400이므로, 그것과 비교했을 때 세슘 원자 시계가 그 정도의 오차가 생긴다는 것이다.
  • [6] 몸 안으로 들어온 어떤 물질의 반이 몸 밖으로 빠져나가는데 걸리는 시간

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