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나트륨 동위 원소

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목차

1. 개요

나트륨 동위 원소는 양성자 11개를 가지는 나트륨 원자의 핵종으로, 중성자 수에 따라 여러 종류가 존재한다. 나트륨에는 안정 동위 원소인 나트륨-23을 포함하여 총 20개의 동위 원소가 알려져 있으며, 이들은 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다. 나트륨-22는 양전자 소멸 분광법의 양전자원으로 사용되며, 나트륨-23은 핵자기 공명(NMR) 및 배터리 연구 등 다양한 분야에서 활용된다. 방사성 동위 원소인 나트륨-24는 중성자 활성화를 통해 생성되며, 의료 및 원자력 분야에서 활용되지만, 냉각재로 사용될 경우 방사성 화재의 위험을 야기할 수 있다.

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나트륨 동위 원소
원자핵 정보
기호Na
원자 번호11
중성자 수12
동위 원소
동위 원소22Na
존재 비율미량
붕괴 방식b+
붕괴 생성물22Ne
동위 원소23Na
존재 비율100%
반감기안정적
동위 원소24Na
존재 비율미량
붕괴 방식b-
붕괴 생성물24Mg
비고footnote: NUBASE2020은 열대년을 사용하여 년과 다른 시간 단위 사이를 변환하며, 그레고리력 년도를 사용하지 않는다. NUBASE2020에서 년과 다른 시간 단위 사이의 관계는 다음과 같습니다:
기타 정보
참고 문헌Ahn et al., Physical Review Letters, 129(21), 212502 (2022)
화학 기호24Na

2. 나트륨 동위 원소 목록

나트륨 동위 원소
핵종Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식붕괴 생성 동위 원소핵 스핀대표적인 동위 원소 조성 (몰 분율)
18Na11718.02597(5)1.3(4)×10−21 sp (>99.9%)[14]17Ne(1-)#
19Na11819.013877(13)<40 nsp18Ne(5/2+)#
20Na11920.007351(7)447.9(23) msβ+ (75%)[14]20Ne2+
β+, α (25%)[14]16O
21Na111020.9976552(8)22.49(4) sβ+[14]21Ne3/2+
22Na111121.9944364(4)2.6027(10) yrβ+[14]22Ne3+미량
22mNa1111583.03(9) keV244(6) ns1+
23Na111222.9897692809(29)안정3/2+1.0000
24Na111323.99096278(8)14.9590(12) hβ-[14]24Mg4+미량
24mNa1113472.207(9) keV20.20(7) msIT (99.95%)[14]24Na1+
β− (.05%)[14]24Mg
25Na111424.9899540(13)59.1(6) sβ−[14]25Mg5/2+
26Na111525.992633(6)1.077(5) sβ−[14]26Mg3+
27Na111626.994077(4)301(6) msβ− (99.87%)[14]27Mg5/2+
β−, n (.13%)[14]26Mg
28Na111727.998938(14)30.5(4) msβ− (99.421%)[14]28Mg1+
β−, n (.579%)[14]27Mg
29Na111829.002861(14)44.9(12) msβ− (74.09%)[14]29Mg3/2(+#)
β−, n (25.91%)[14]28Mg
30Na111930.008976(27)48.4(17) msβ− (68.83%)[14]30Mg2+
β−, n (30.0%)[14]29Mg
β−, 2n (1.17%)[14]28Mg
β−, α[14]26Ne
31Na112031.01359(23)17.0(4) msβ− (62.05%)[14]31Mg(3/2+)
β−, n[14]30Mg
β−, 2n[14]29Mg
β−, 3n[14]28Mg
32Na112132.02047(38)12.9(7) msβ−[14]32Mg(3-,4-)
β−, n[14]31Mg
β−, 2n[14]30Mg
33Na112233.02672(94)8.2(2) msβ−, n (52.0%)[14]32Mg3/2+#
β− (36.0%)[14]33Mg
β−, 2n (12.0%)[14]31Mg
34Na112334.03517(96)#5.5(10) msβ−, 2n (50.0%)[14]32Mg1+
β− (35.0%)[14]34Mg
β−, n (15.0%)[14]33Mg
35Na112435.04249(102)#1.5(5) msβ− (>99.9%)[14]35Mg3/2+#
β−, n (<0.1%)[14]34Mg
36Na112536.05148(102)#<260 ns
37Na112637.05934(103)#1# ms [>1.5 µs]3/2+#


2. 1. 나트륨-17 ~ 나트륨-22

나트륨-17(17Na)은 양성자 11개와 중성자 6개로 구성되며, 반감기가 극도로 짧아 양성자를 방출하고 16Ne으로 붕괴한다. 나트륨-18(18Na)은 양성자 11개와 중성자 7개로 이루어져 있으며, 반감기는 1.3(4)×10−21초이다. 99.9% 이상의 확률로 양성자 방출을 통해 17Ne로 붕괴하며, 극히 일부는 β+ 붕괴를 통해 18Ne이 되기도 한다.[2] 나트륨-19(19Na)는 중성자 수가 8개이며, 40ns 미만의 반감기를 가지고 양성자 방출로 18Ne로 붕괴한다.

나트륨-20(20Na)은 양성자 11개와 중성자 9개로 구성되며, 반감기는 447.9(23)ms이다. 75% 확률로 β+ 붕괴하여 20Ne이 되고, 25% 확률로 β+ 붕괴와 α 붕괴를 거쳐 16O이 된다. 나트륨-21(21Na)은 중성자 수가 10개이며, 반감기는 22.49(4)초이다. β+ 붕괴를 통해 21Ne이 된다.

나트륨-22(22Na)에 대해서는 별도의 하위 문단에서 보다 자세하게 다루고 있다.

나트륨 동위 원소 (17Na ~ 22Na)
핵종반감기붕괴 방식붕괴 생성 동위 원소핵자 스핀
17Na-p16Ne(1/2+)
18Nap (>99.9%)
β+ (<.1%)		17Ne18Ne(1-)#
19Na<40 nsp18Ne(5/2+)#
20Narowspan=2|β+ (75%)20Ne2+
β+, α (25%)16O
21Naβ+21Ne3/2+
22Naβ+22Ne3+


2. 1. 1. 나트륨-22

나트륨-22(22Na)는 나트륨의 방사성 동위 원소 중 하나로, 반감기는 2.6027년이다. 양전자 방출을 통해 네온의 안정 동위 원소인 22Ne으로 붕괴한다.[14]

1 μCi의 나트륨-22가 들어있는 디스크


나트륨-22는 "차가운 양전자(반물질)"를 생성하여 뮤온을 만드는 데 사용될 수 있다. 이렇게 만들어진 뮤온은 뮤온 촉매 핵융합을 통해 중수소의 핵융합을 촉매하는 데 사용될 수 있는지 연구가 진행 중이다. 또한, 나트륨-22는 양전자 소멸 분광법에서 양전자원으로 흔히 사용된다.[6]

2. 2. 나트륨-23

나트륨-23(23Na)은 나트륨의 동위 원소 중 하나로, 원자 질량은 22.9897692809u이다. 나트륨의 유일한 안정 동위 원소이자 원시 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 나트륨은 모두 나트륨-23이다.[7]

나트륨-23은 풍부한 양 덕분에 핵자기 공명(NMR) 분광법에 널리 사용된다. 재료 과학 분야에서 나트륨 이온 배터리 연구가 활발해짐에 따라, 나트륨-23을 이용한 NMR 분석이 더욱 중요해지고 있다. 특히, 한국에서는 나트륨 이온 배터리가 차세대 배터리 기술로 주목받고 있어 관련 연구가 활발히 진행 중이다.[8]

나트륨-23은 이 외에도 양이온-생체 분자 상호 작용, 세포 내 및 세포 외 나트륨 연구, 배터리 내 이온 수송 연구, 양자 정보 처리 연구 등 다양한 분야에 활용된다.[8]

2. 3. 나트륨-24 ~ 나트륨-39

나트륨-24(Sodium-24영어)는 나트륨 동위 원소 중 하나이며, 자세한 내용은 나트륨-24 문서를 참조한다.

나트륨-25(25Na)부터 나트륨-37(37Na)까지는 모두 방사성 동위 원소이며, 짧은 반감기를 가진다. 나트륨-39(39Na)는 아직 발견되지 않은 동위 원소이다. 이들의 주요 특성은 아래 표와 같다.

핵종양성자 수중성자 수반감기붕괴 방식붕괴 생성 동위 원소핵 스핀
25Na111459.1(6) 초β-25Mg5/2+
26Na11151.077(5) 초β-26Mg3+
27Na1116301(6) msβ- (99.87%)27Mg5/2+
β-, n (0.13%)26Mg
28Na111730.5(4) msβ- (99.421%)28Mg1+
β-, n (0.579%)27Mg
29Na111844.9(12) msβ- (74.09%)29Mg3/2(+#)
β-, n (25.91%)28Mg
30Na111948.4(17) msβ- (68.83%)30Mg2+
β-, n (30.0%)29Mg
β-, 2n (1.17%)28Mg
β-, α (5.5×10-5%)26Ne
31Na112017.0(4) msβ- (62.05%)31Mg(3/2+)
β-, n (36.0%)30Mg
β-, 2n (0.73%)29Mg
β-, 3n (<0.05%)28Mg
32Na112112.9(7) msβ- (66.4%)32Mg(3-,4-)
β-, n (26%)31Mg
β-, 2n (7.6%)30Mg
33Na11228.2(2) msβ-, n (52.0%)32Mg3/2+#
β- (36.0%)33Mg
β-, 2n (12.0%)31Mg
34Na11235.5(10) msβ-, 2n (50.0%)32Mg1+
β- (35.0%)34Mg
β-, n (15.0%)33Mg
35Na11241.5(5) msβ- (>99.9%)35Mg3/2+#
β-, n (<0.1%)34Mg
36Na1125<260 ns
37Na11261# ms [>1.5 µs]3/2+#



이 표에서 'β-'는 베타 붕괴를, 'n'은 중성자 방출을, 'α'는 알파 붕괴를 의미한다.

2. 3. 1. 나트륨-24

나트륨-24(Sodium-24영어)는 나트륨의 방사성 동위 원소로, 반감기는 약 15시간이다.[9][10] 일반적인 나트륨-23(안정 동위 원소)을 중성자 활성화시켜 생성할 수 있다. 나트륨-24는 전자와 두 개의 감마선을 방출하며 마그네슘-24 (안정 동위 원소)로 붕괴한다.[9][10]

인체가 강한 중성자 방사선에 노출되면 혈장 내에 나트륨-24가 생성된다. 이 양을 측정하여 환자의 흡수된 방사선량을 결정할 수 있으며,[10] 이는 필요한 의료 치료 유형을 결정하는 데 사용된다.

고속 증식로에서 나트륨이 냉각재로 사용될 때 나트륨-24가 생성되어 냉각재를 방사성으로 만든다. 나트륨-24가 붕괴되면 냉각재에 마그네슘이 축적된다. 나트륨-24는 반감기가 짧기 때문에, 원자로에서 제거된 냉각재는 며칠 이내에 방사성을 잃는다. 1차 냉각 루프에서 뜨거운 나트륨이 누출되면 공기와 접촉 시 점화될 수 있고(물과 접촉 시 폭발), 방사성 화재가 발생할 수 있다.[11] 이러한 이유로 1차 냉각 루프는 격납 용기 내에 위치한다.

나트륨은 나트륨-24로 변환되어 며칠 동안 강렬한 감마선 방출을 생성하기 때문에, 염 처리 폭탄의 케이스로 제안되었다.[12][13]

참조

[1] 논문 Discovery of 39Na 2022-11-14
[2] 문서
[3] 문서 Cosmogenic nuclide
[4] 문서
[5] 논문 Microsecond Isomer at the N = 20 Island of Shape Inversion Observed at FRIB 2023-06-13
[6] 논문 Sodium-22 source contribution determination in positron annihilation measurements using GEANT4 https://aip.scitatio[...] 2019-07-29
[7] 논문 23Na Solid-State NMR Analyses for Na-Ion Batteries and Materials https://chemistry-eu[...] 2021-02-08
[8] 논문 23Na relaxometry: An overview of theory and applications
[9] 웹사이트 sodium-24 https://www.britanni[...] Encyclopædia Britannica
[10] 논문 Neutron dose assessment using samples of human blood and hair 2019-11-07
[11] 간행물 Unusual occurrences during LMFR operation https://www-pub.iaea[...] International Atomic Energy Agency 1998-11-09
[12] 잡지 Science: fy for Doomsday http://content.time.[...] 1961-11-24
[13] 논문 Chemical and Thermonuclear Explosives
[14] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]


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