1898년 Curie부부는 라듐 화합물 주변의 공기가 방사능을 띤다는 것을 발견하였는데, 이것은 라듐에서 발생하는 방사성 기체(radioactive gas) 때문이라는 사실이 1900년 F. E. Dom이라는 과학자에 의해 밝혀졌다. 그 후 이 방사성 기체는 불활성 기체 inet gas)의 하나임이 확인되었고, 명칭을 Emanation(원소기호 Em)이라 하였다.
비활성 기체의 발견자인 W. Ramsay는 이 방사성 기체의 스펙트럼을 조사하고 R.W. Gray와 함께 비중을 측정하여, 지금까지 알려진 기체 중에서 가장 무겁다는 것을 밝혀냈으며, 또한 이 기체가 유리관 속에서 액화되면, 인광(光)을 발하는 사실에서 빛난다'는 뜻의 라틴어 'nitere'를 따서 niton이라 부를 것을 제창하였다. 그러나 1923년의 국제회의에서 Radium에서 태어났다는 뜻에서 Radon이라는 이름이 정식으로 채택되었다.
라돈은 주기율표 18족에 속하는 비활성 기체의 마지막 원소이며, 원자번호 86이고, 원소기호는 n이며, 원자량은 222,0176(일반적으로 소수 이하는 표시하지 않는다.)로 녹는점이 -1℃이고, 끓는점이 61.8℃이며, 비중은 0℃에서 9.73이다.
라돈은 지각 구성하는 암석이나 토양에 천연적으로 존재하는 을 Uranium(U-238)과 Thorium(Th-232)의 방사성 붕괴 과정(radioactive decay process)에서 생성되는 무색, 무미, 무취한 불활성 기체로서 방사능을 띠고 있다. 일명 Thoron이라고 부르는 Rn-220과 Actinon이라고 부르는 Rn-219는 보통 라돈이라고 불리는 Rn-222와는 동위원소 (isotope) 관계에 있으나, 반감기가 아주 짧아(Rn-220는 55.5초, Rn-219는 4초) 생성되더라도 곧 붕괴하여 버려서 공기 중으로 방출되는 양이 Rn-222에 비해 매우 적으므로 무시할 수 있어, 통상적인 실내공기 오염 문제 측면에서 라돈이라고 할 때는 Rn-222를 지칭한다.
라돈은 모체인 Uranium(지구 생성시 구성물질의 하나)에서부터 붕괴되어 생긴 붕괴 산물이므로 지구 상 어느 곳에서나 존재할 수 있기 때문에, 그야말로 유비쿼터스(ubiquitous)한 물질이어서 발견할 수 없는 곳을 찾기가 더 어려운 실정이다. 따라서 라돈은 자연적으로 생성된 물질이므로 공기, 흙, 지하수, 화강석(granite), 경석(pumice), 진흙(clay), 벽돌(brick)은 물론이고, 플라이애시 (fly ash)나 산업 슬래그(slag)로 만든 콘크리트와 같은 건설자재 등 어디서든지 발견된다.
실내공기 중에서 인체에 영향을 미치는 라돈도 이 Radon-222인데 특이한 것은 방사성 붕괴 85)의 모체인 Uranium에서 붕괴하여 라돈 바로 직전의 방사성 원소인 Radium까지는 금속성 고체이나, Radium이 붕괴하여 생성되는 Radon은 기체이고, 또 Radon이 붕괴하여 생성되는 Polonium, Bismuth, Lead(납) 등도 모두 고체이다. 라돈의 표기방법은 Rn222, Rn, Rnzzz, 어느 것을 사용하여도 관계없으나 Rn-222가 가장 많이 사용된다.
다음 페이지의 그림 3-16은 우라늄의 방사성 붕괴사슬을 보여주는데 네모 속의 숫자는 반감기를 나타낸다. 그리고 와 B는 붕괴 형태를 나타내는 것으로 각각 붕괴 a decay)와 붕괴 3 decay)를 뜻한다. 지금까지 밝혀진 라돈의 반감기 중 가장 정확한 것은 3.824 일이다.
고체인 라듐(Ra-226)이 선을 내면서 붕괴하면(이를 붕괴라 한다) 기체인 라돈이 생성되는데, 방사선은 질량을 4 감소시키므로 질량이 226 인 라듐이 질량이 222인 라돈으로 변형된다. 사람이 숨을 쉴 때 흡입하게 되는 라돈은 앞에서 설명했듯이, 농도에 차이가 있을 뿐 지구 상의 어디에서나 존재하는 유비쿼터스 한 물질이므로 언제 어디서나 인체로 흡입될 수 있는 물질이다.
자연 방사선의 상당량은 라돈에 의해 발생하는 것이며, 호흡으로 흡입된 라돈이인체 내에서 방사선 붕괴가 이루어지면서 생성되는 물질이 방사선 붕괴 산물이다. 미국 환경청(EPA)에 따르면 라돈 그 자체가 아니라 라돈의 방사성 붕괴 산물이 폐암을 발생시키는 위험한 물질이라고 한다. 방사선 붕괴 생성되는 물질 을로 모체의 붕괴 산물(decay product), 자손(progeny), 또는 딸(daughter)이라고 하는데, 라돈의 붕괴 산물에 의한 폐암 발병률은 담배에 의한 폐암 발병률 다음으로 높아 라돈을 전체 폐암환자의 10~15% 정도를 발병시키는 위험한 발암물질(carcinogen)로 분류하고 있다.
라돈은 실외농도가 실내농도보다 현저하게 낮기 때문에 사람이 라돈에 노출되는 것은 거의 대부분 주택, 사무실, 공장, 학교 등의 생활공간, 즉 건축물의 실내이다. 광산이나 지하철 역사 등에서도 라돈을 흡입하는 것을 특별한 경우라고 볼 수 있는데, 이것도 광의의 실내라고 할 수 있다. 보통의 경우 실내공기 속의 라돈 농도는 실외 농도보다 평균 5배 이상 높은 것으로 나타나는데, 특수한 경우에는 실내농도 가평균 실외 대기 중의 농도인 0.2~0.5 pCive의 수백에서 수천 배에 이르는 농도로 나타날 때도 있다.
라돈에 의한 폐암발생
땅속에 묻혀있는 우라늄(U-238)의 방사성 붕괴 과정에서 생성되는 중간산물인 라돈은 불활성 기체이고 상대적으로 긴 반감기(3.824일)를 갖고 있어, 사람이 숨을 쉴 때 공기와 함께 인체로 흡입될 수 있는 충분한 시간 동안 공기 중에 머물러 있으므로, 라돈과 라돈 자손(붕괴산물)에 의해 인체에 영향을 미칠 수 있을 정도로 유효한방사선 양의 기여도는 자연적으로 존재하는 방사선원50% 이상을 차지의한다. 폐암의 한 원인으로 지목 받는 라돈(Radon)과 라돈자손(progeny)에 의한 건강상의 위험은 토양 중 우라늄의 함량이 높은 지역과 광산의 갱내, 동굴 또는 주택과같이 밀폐된 공간에서 특히 높아진다.
따라서 라돈에 의한 폐암의 위험을 언급할 때, 라돈에 노출로 인한 위험이라기보다는 라돈자손 (decay product)에 의한 위험으로 본다. 라돈의 붕괴 과정에서 생성되는 라돈 자손(Radon daughter)인 Po218(Polonium 218), Pb-214(Lead 214), Bi-214(Bismuth 214) 그리고 Po-214(Polonium 214)는 생성 당시부터 부착성 높은 이 입자)이므로, 공기 중에 존재하는 미세먼지, 담배연기 그리고 수증기와 같은 부유물질에 부착하여 에어로졸을 형성하거나 벽, 가구 또는 물체의 표면에도 흡착된다. 반감기가 짧은 라돈 자손이 호흡을 통해 직접 흡입 또는 에어로졸 형태로 흡입되면 폐의 상피(epithelium)에 부착된 후 방사성 붕괴를 이어가면서 주변 조직에 알파 에너지 (alpha energy)를 방출한다. 이러한 방사능은 장기적으로 폐암을 유발할 수 있는 생물학적 손상을 야기한다.
How Radon Causes Lung Cancer Inhalation of Radon Decay Products 그림 3-17은 미 환경청(EPA)에서 라돈이 폐암을 일으키는 원인물질이라는 것을 일깨워주는 안내문의 첫머리에 나오는 그림이다. 실내에 존재하는 라돈 붕괴 자손(子孫)은 라돈보다 짧은 반감기를 갖는데, 불과 수 시간 동안의 붕괴로 비교적 안정적인 납의 동위원소인 Pb-214가 되는 붕괴 과정에서 방출하는 에너지가 사람의 건강에 위험을 초래하는 원인이 된다. 라돈과 붕괴 산물이 공기 속에 존재하게 되면, 당연히 숨 쉴 때 사람의 폐 속으로 흡입하게 되고, 라돈 붕괴 산물은 기체가 아니기 때문에 폐 조직에 부착하거나 공기 중의 부유입자에 부착하여 나중에 분진과 함께 폐에 점착(disposition)하게 된다.
라돈이 폐암을 발생시키는 과정을 살펴보면, 화학적으로는 불활성이지만 기체인 라돈 입자는 미세먼지에 부착하는 성질이 있어, 기체로 또는 미세먼지에 부착된 상태로 사람이 숨을 쉴 때 쉽게 몸속으로 유입되는데, 라돈을 인체 내로 흡입하게 되면, 폐 내부에 머무르는 동안 상피세포에 부착한 상태로 있다가 폐 속에서 방사성 붕괴가 진행된다.
방사성 붕괴 시 방출되는 질량이 크고 높은 에너지를 지닌 알파(a) 입자가 폐세포, 특히 생명체에 가장 중요한 DNA(deoxyribonucleic acid)에 에너지 충격을 가해, 세포사멸(細胞死滅)이나 돌연변이(mutation)를 초래하게 된다. 알파 입자에 의해 손상된 DNA는 거의 대부분 인체 고유의 탁월한 복구체계 복구 실수(復舊失手), 복구 이전 복제의 해 회복되지만, 에등의 이 (復舊不能)또는 복유로 손상이 영구화되는 경우가 있는데, 이 돌연변이가 장기화되면, 대부분의 경우 저항력이 약해지는 40대 이후에 폐암으로 발전하는 원인이 된다.
실타래와 같이 엉겨있는 DNA 구조에서 알파 입자의 에너지 충격에 의한 손상부위는 특별히 정해진 곳이 아니고, 임의적인 곳이며 손상부위에 수록된 정보가 암과 관련되는 유전자일 가능성은 우연한 일치이기 때문에 폐암의 발병은 확률적일 수밖에 없다. 다시 말해서 DNA가 방사선의 충격을 받으면 모두가 반드시 폐암에 걸리는 것이 아니고, DNA의 어느 부위에 충격이 가해졌는가에 따라 폐암에 걸릴 확률이 있다는 것이다. 미국 환경청(EPA)의 자료에 따르면, 전체 폐암의 10~15% 정도는 라돈에 의한 것이라 하고, 흡연자가 라돈에 노출되면 발암 가능성은 비흡연자에 비해 훨씬 높다고 한다. 라돈과 그 붕괴 산물에 의한 피해를 입을 장기는 폐와 기관지 상피세포(bronchus epithelial cell)로, 라돈에 노출된 사람의 건강, 연령, 성별 및 호흡 횟수 등에 따라 정도가 다르게 나타난다.
2006년에 발표한 통계청의 사망통계자료(死亡統計資料)에 의하면, 우리나라의 경우 최근 5년 동안의 통계를 살펴보면, 사망률(死)이 가장 높은 암이 폐암 (이라고 한다. 폐암의 발생원인(發生原)으로는 흡연인구(증가(增加), 대기口)의 오염 악화의 노년인구(老年人口)의 증가(增加) 등 여러 가지가 있지, 만, 라돈과 붕괴 자손에 의한 폐암 발생률이 전체 폐암의 약 10~15%를 차지한다고 하니, 정부 발표 자료를 여기에 한번 도입하면 앞에서 설명한 것과 같이 1년 내내 매일 약 4~6명이 라돈에 의한 폐암으로 우리나라 어디에선가 사망하고 있다는 결과를 보인다(다음 계산 참고). 이 얼마나 끔찍한 숫자인가?
1) 연간 폐암 사망자수는 우리나라 인구에 통계청 발표 폐암 사망률을 곱하여 48,000,000(인구수) × 28,5/100,000(2005년 폐암 사망률)
- 13,680명(연간 폐암 사망자수)
2) 라돈에 의한 폐암 사망자는 전체 사망자의 10~15%이기 때문에,
13,680(연간 폐암 사망자수) × 0.10 -0.15(라돈에 의한 폐암 발생률)
1,368-2,052명(라돈에 의한 연간 폐암 사망자수)
3) 연간 사망자수를 365로 나누면, 라돈에 의한 1일 폐암 사망자를 구할 수 있다. 1,368~2,052명(라돈에 의한 연간 폐암 사망자수) : 365일
- 3.8~5.6명/일
앞 페이지의 붕괴 사슬(decay chain) 그림에서 보듯이, 라돈과 라돈 자손들은 반감기가 짧아 이동거리 길지 않으므로 폐에 흡입되면 다른 장기로의 이동가 할 시간적 여유가 없다. 따라서 라돈과 라돈 자손은 폐 이외의 다른 장기에 영향을 미칠 수 없는 것으로 보고 있다. 금속인 Radium이 방사성 붕괴로 이어지면서 발생하는 Radon은 기체이고, 이 기체는 농도에 차이가 있을 뿐이지 토양이나 건설자재, 지하수 등 공기 중 어디에나 존재하기 때문에 라돈의 붕괴 시 나오는 방사선에 사람이 항상 노출되어 있는 상태이다.
라돈의 방사성 붕괴로 생성되는 4가지 방사성 원소, 즉 라돈의 붕괴 자손(Radondaughters)은 한 가지 이상의 방사선을 방출하는데, Po-218은 선, Pb-214는 선과선, Bi-214B선과 선, 그리고 Po-218의 동위원소인 PO-214는 선을 내보낸다. 마지막으로 Pb-210으로 변형되면서 안정되는 것으로 보이나, 실제로 이 Pb-210도 22년의 반감기를 갖고 있는 방사성 물질이다. 그러나 Pb-210은 반감기가 길어 흡입되더라도 체내에 머무는 동안이 아니고, 체외로 배출된 이후에 붕괴되므로 일반적으로 인체에 영향을 미치는 라돈의 붕괴 산물의 하나 않고, 일반적으로 중금속 오염 문제로 따로 다룬다.
라돈에 의한 폐암 발생의 특성을 살펴보면 노출 누적량(露出)이 같을 때, 장기간에 낮은 농도(4 pCi/2 91) 이하)에 노출된 경우가, 단기간에 높은 농도에 노출된 경우보다 폐암 발생률이 더 높다고 한다.