산소 동위 원소
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1. 개요
산소 동위 원소는 산소 원자의 서로 다른 핵종으로, 안정 동위 원소 16O, 17O, 18O와 방사성 동위 원소를 포함한다. 16O는 가장 풍부하며, 항성 진화 과정과 삼중알파과정, 네온 연소 과정을 통해 생성된다. 17O는 CNO 순환 과정에서 수소가 풍부한 별에서, 18O는 CNO 순환에서 질소가 헬륨 원자핵을 포획하여 헬륨이 풍부한 별에서 생성된다. 16O와 18O의 비율은 고기후학 연구에 활용된다. 방사성 동위 원소 중 가장 안정적인 것은 15O와 14O이며, 15O는 PET(양전자 방출 단층 촬영술)에 사용된다. 산소 동위 원소는 또한 핵 반응, 원자력 발전, 이중 표지수법 등 다양한 분야에 활용된다.
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베릴륨 동위 원소는 자연계에 주로 존재하는 안정 동위원소 베릴륨-9와 방사성 동위원소로 구성되며, 베릴륨-7과 베릴륨-10은 우주선에 의해 생성되어 연구에 활용되고, 베릴륨은 안정 동위원소가 하나뿐인 특이한 원소이다.
| 산소 동위 원소 | |
|---|---|
| 산소 동위 원소 정보 | |
| 원소 기호 | O |
| 동위 원소 | mn: 15 sym: O na: 흔적 hl: 122.266초 dm1: b+ 붕괴 perc1: 100% pn1: 15 ps1: N (질소) link1: 질소-15 link: 산소-15 mn: 16 sym: O na: 99.757% hl: 안정 link: 산소-16 mn: 17 sym: O na: 0.038% hl: 안정 link: 산소-17 mn: 18 sym: O na: 0.205% hl: 안정 link: 산소-18 |
| 각주 | ~ |
| 기타 동위 원소 | |
| 산소-11 | ~ |
| 산소-28 | ~ |
| 산소-15 반감기 | 122.266(43) 초 |
| 산소-11 반감기 | 198(12) 요크토초 |
| 산소-27 | ~ |
| 산소-28 관찰 | 28O 최초 관찰 (Nature 논문) |
| 산소-16 원자 질량 | 15.9994(3) u |
2. 안정 동위 원소
자연에 존재하는 산소는 16O, 17O, 18O로 이루어져 있다. 이들 중 16O의 자연존재비가 99.762%인데, 다른 동위 원소들에 비해 풍부한 이유는 항성 진화 과정에서 생성되는 주요 생성물인데다가 삼중알파과정 및 네온 연소 과정을 통해 많은 양이 합성되기 때문이다.[11] 17O는 CNO 순환 과정에서 주로 생성되므로 수소가 풍부한 별에서 잘 생성되며 18O는 역시 CNO 순환에서 풍부하게 생성되는 물질인 14N가 헬륨 원자핵을 포획하여 생성되므로 헬륨이 풍부한 별에서 잘 생성된다.[11]
한편, 16O와 18O의 비율을 연구하면 고기후학에 응용하여 과거의 기후를 알아낼 수 있다.
자연 상태의 산소는 세 가지 안정 동위 원소인 , , 로 구성되며, 이 가장 풍부하다(99.762% 자연 존재비).[6]
2. 1. 산소-16 (16O)
자연에 존재하는 산소는 16O, 17O, 18O로 이루어져 있으며, 이들 중 16O의 자연존재비가 99.762%로 가장 높다.[26] 이는 16O가 항성 진화 과정에서 생성되는 주요 생성물이며, 삼중알파과정 및 네온 연소 과정을 통해 많은 양이 핵합성되기 때문이다.빅뱅 이후 우주에는 수소와 헬륨만 존재했으나, 항성 내부에서 양성자-양성자 연쇄 반응과 CNO 순환을 통해 수소가 연소되며 헬륨이 축적된다. 중심 온도가 1억 K을 넘으면 트리플 알파 반응이 시작되어 헬륨이 연소되고, 12C를 거쳐 헬륨 원자핵과의 반응을 통해 16O가 합성된다.
과거에는 16O 원자의 질량을 기준으로 원자량 16을 정의한 물리 원자량과, 산소 동위원소의 평균 상대 질량으로 원자량 16을 정의한 화학 원자량이 존재했다.[26] 그러나 1961년 IUPAC의 검토에 의해 12C의 질량을 원자량 12로 하는 현재의 국제 원자량이 결정되었다.[27]
2. 2. 산소-17 (17O)
17O는 주로 항성의 연소의 CNO 순환에서 수소가 헬륨으로 연소하는 과정에서 합성된다. 따라서 17O는 항성의 수소 연소층에서 합성된다. CNO 순환 과정에서 주로 생성되므로 수소가 풍부한 별에서 잘 생성된다.2. 3. 산소-18 (18O)
산소의 안정 동위 원소 중 하나인 18O는 0.204%의 자연존재비를 갖는 미량 동위 원소이다. 18O는 CNO 순환에서 풍부하게 생성되는 14N가 헬륨 원자핵을 포획하여 생성되므로, 헬륨이 풍부한 별에서 잘 생성된다. 한편, 16O와 18O의 비율을 연구하면 고기후학에 응용하여 과거의 기후를 알아낼 수 있다.2. 4. 고기후학적 응용
자연에 존재하는 산소는 16O, 17O, 18O로 이루어져 있다.16O의 자연존재비가 99.762%인데, 다른 동위 원소들에 비해 풍부한 이유는 항성 진화 과정에서 생성되는 주요 생성물인데다가 삼중알파과정 및 네온 연소 과정을 통해 많은 양이 합성되기 때문이다.[29] 17O는 CNO 순환 과정에서 주로 생성되므로 수소가 풍부한 별에서 잘 생성되며 18O는 CNO 순환에서 풍부하게 생성되는 물질인 14N가 헬륨 원자핵을 포획하여 생성되므로 헬륨이 풍부한 별에서 잘 생성된다.16O와 18O의 비율을 연구하면 고기후학에 응용하여 과거의 기후를 알아낼 수 있다. 지구 대기 중 산소 원자의 안정 동위 원소 존재비는 16O가 99.759%, 17O가 0.037%, 18O가 0.204%이다.[29] 그러나 물 분자는 약간 가벼운 쪽의 산소 동위 원소를 많이 포함하는 경향이 있다.[30] 따라서 지구상의 담수, 극빙의 18O를 포함하는 물 분자의 존재비는 0.1981%이며, 대기 중의 18O 존재비나 해수에서의 18O의 존재비(0.1995%)보다 약간 낮다.18O 원자를 포함하는 물이 16O 원자를 포함하는 물 분자보다 약간 더 잘 얼고[31], 물이 적도 부근에서 증발하여 극 주변으로 대기 수송될 때 레이리 분별 효과의 영향을 받기 때문이다.따라서 남극이나 북극 등에서 퇴적된 과거의 얼음의 산소 원자 동위 원소 비에는 당시의 기후가 반영되어 있으며, 그 측정을 통해 과거의 기후 변화를 해석할 수 있다. (해양 산소 동위체 단계 참조)
3. 방사성 동위 원소
총 13개의 방사성 동위 원소가 특징지어졌으며, 가장 안정적인 것은 반감기가 122.266초인 산소-15와 반감기가 70.621초인 산소-14이다. 나머지 모든 방사성 동위 원소는 반감기가 27초 미만이며, 대부분은 0.1초 미만이다. 가장 무거운 4개의 알려진 동위 원소(산소-28까지)는 중성자 방출을 통해 산소-24로 붕괴하며, 이 동위 원소의 반감기는 77.4ms이다. 이 동위 원소는 28Ne와 함께 중성자별의 껍질에서의 반응 모델에 사용되었다.[15] 안정 동위 원소보다 가벼운 동위 원소의 가장 일반적인 붕괴 모드는 β+ 붕괴를 통해 질소로 붕괴하는 것이고, 그 이후 가장 일반적인 모드는 β− 붕괴를 통해 플루오린으로 붕괴하는 것이다.
산소-11은 중성자가 3개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 198ys이다.[2] 2p(양성자 방출)를 통해 탄소-9로 붕괴한다.
산소-12는 중성자가 4개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 2p를 통해 탄소-10으로 붕괴한다.
산소-13은 8개의 양성자와 5개의 중성자를 가진 불안정한 동위 원소이다. 스핀은 3/2−이며, 반감기는 8.58ms이다. 원자 질량은 13.024815Da이다. 89.1%의 확률로 β+ 붕괴하여 질소-13으로 붕괴, 10.9%의 확률로 β+p 붕괴하여 탄소-12로 붕괴, 0.1% 미만의 확률로 β+p,α 붕괴하여 헬륨-4 2개로 붕괴한다.[3]
산소-14는 방사성 동위 원소이며, 반감기는 70.621초이다. β+ 붕괴하여 질소-14로 붕괴한다. 산소-14 이온 빔은 양성자 과잉 핵 연구자들의 관심을 끈다. 미시간주 이스트랜싱에 있는 희귀 동위원소 빔 시설에서 수행된 초기 실험 중 하나는 14O 빔을 사용하여 이 동위 원소의 14N으로의 베타 붕괴를 연구했다.[16][17]
산소-15는 양전자 방출 단층 촬영술(PET)에 자주 사용되는 방사성 동위원소이다. 특히 PET 심근 관류 영상을 위한 물과 뇌 영상 등에 사용될 수 있다.[18][19] 원자 질량은 15.0030656이며, 반감기는 122.266초이다. 사이클로트론을 사용하여 질소-14에 중수소를 충돌시켜 생성된다.[20]
:14N + 2H → 15O + n
산소-15와 질소-13은 공기 중에서 감마선(예: 번개)이 16O와 14N에서 중성자를 떼어낼 때 생성된다.[21]
:16O + γ → 15O + n
:14N + γ → 13N + n15O는 양전자를 방출하며 15N로 붕괴된다. 양전자는 전자와 빠르게 소멸하여 약 511 keV의 두 개의 감마선을 생성한다. 번개 후, 이 감마 방사선은 2분의 반감기로 감소하지만, 이러한 저에너지 감마선은 평균적으로 공기를 통해 약 90미터만 이동한다. 질소-13에서 나온 양전자에 의해 생성된 방사선과 함께 15O와 13N의 "구름"이 바람에 의해 이동하면서 1분 정도만 감지될 수 있다.[22]
산소-19는 중성자가 11개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 26.470초이다. β− 붕괴하여 플루오린-19로 붕괴한다.
산소-20은 반감기가 13.51초이며, β− 붕괴를 통해 20F로 붕괴한다. 이는 알려진 클러스터 붕괴 방출 입자 중 하나로, 228Th의 붕괴에서 분기비 약 1.13×10-13로 방출된다.[23]
산소-21은 중성자가 13개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 3.42초이다. β− 붕괴하여 플루오린-21로 붕괴하거나, β−n 붕괴하여 플루오린-20으로 붕괴한다.
산소-22는 중성자가 14개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 2.25초이다. 78% 확률로 β− 붕괴하여 플루오린-22로 붕괴하고, 22% 확률로 β−n 붕괴하여 플루오린-21로 붕괴한다.
산소-23은 중성자가 15개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 97ms이다. 93% 확률로 β− 붕괴하여 플루오린-23으로 붕괴하고, 7% 확률로 β−n 붕괴하여 플루오린-22로 붕괴한다.
산소-24는 중성자가 16개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다.[10] 반감기는 77.4ms이다. 57% 확률로 β− 붕괴하여 플루오린-24로 붕괴하고, 43% 확률로 β−n 붕괴하여 플루오린-23으로 붕괴한다.
산소-25는 중성자가 17개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 5.18zs이다. n(중성자 방출)을 통해 산소-24로 붕괴한다.
산소-26은 중성자가 18개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다. 반감기는 4.2ps이다. 2n(이중 중성자 방출)을 통해 산소-24로 붕괴한다.
산소-27은 중성자가 19개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다.[1] 반감기는 2.5zs 이상이다. n을 통해 산소-26으로 붕괴한다.
산소-28은 중성자가 20개, 양성자가 8개인 산소의 동위원소이다.[1] 반감기는 650ys 이상이다. 2n을 통해 산소-26으로 붕괴한다.
3. 1. 주요 방사성 동위 원소
산소-13은 8개의 양성자와 5개의 중성자를 가진 불안정한 동위 원소이다. 스핀은 3/2−이며, 반감기는 8.58ms이다. 원자 질량은 13.024815Da이다. 전자 포획으로 질소-13으로 붕괴하며, 붕괴 에너지는 17.770MeV이다. 모핵종은 플루오린-14이다.산소-14는 방사성 동위 원소이며, 산소-14 이온 빔은 양성자 과잉 핵 연구자들의 관심을 끈다. 미시간주 이스트랜싱에 있는 희귀 동위원소 빔 시설에서 수행된 초기 실험 중 하나는 14O 빔을 사용하여 이 동위 원소의 14N으로의 베타 붕괴를 연구했다.[16][17]
산소-15는 양전자 방출 단층 촬영술(PET)에 자주 사용되는 방사성 동위원소이다. 특히 PET 심근 관류 영상을 위한 물과 뇌 영상 등에 사용될 수 있다.[18][19] 원자 질량은 15.0030656이며, 반감기는 122.266초이다. 사이클로트론을 사용하여 질소-14에 중수소를 충돌시켜 생성된다.[20]
:14N + 2H → 15O + n
산소-15와 질소-13은 공기 중에서 감마선(예: 번개)이 16O와 14N에서 중성자를 떼어낼 때 생성된다.[21]
:16O + γ → 15O + n
:14N + γ → 13N + n15O는 양전자를 방출하며 15N로 붕괴된다. 양전자는 전자와 빠르게 소멸하여 약 511 keV의 두 개의 감마선을 생성한다. 번개 후, 이 감마 방사선은 2분의 반감기로 감소하지만, 이러한 저에너지 감마선은 평균적으로 공기를 통해 약 90미터만 이동한다. 질소-13에서 나온 양전자에 의해 생성된 방사선과 함께 15O와 13N의 "구름"이 바람에 의해 이동하면서 1분 정도만 감지될 수 있다.[22]
산소-20은 반감기가 13.51초이며, β− 붕괴를 통해 20F로 붕괴한다. 이는 알려진 클러스터 붕괴 방출 입자 중 하나로, 228Th의 붕괴에서 분기비 약 1.13×10-13로 방출된다.[23]
산소의 방사성 동위 원소는 14개의 핵종이 확인되었다. 그중 가장 안정한 핵종은 15O로 반감기는 122.24초이다. 그다음으로 안정한 핵종은 14O로, 반감기는 70.606초이다. 그 외의 방사성 동위 원소 핵종의 반감기는 27초 미만이며, 대부분의 반감기는 83ms 미만이다. 가장 일반적인 붕괴는 전자 포획과 베타 붕괴이며, 붕괴 생성물은 전자 포획하면 질소의 동위 원소 핵종, 베타 붕괴하면 플루오린의 동위 원소 핵종이 된다.
3. 2. 붕괴 방식
산소의 방사성 동위 원소는 14개의 핵종이 확인되었다. 가장 안정한 핵종은 122.24초의 반감기를 갖는 15O와 70.606초의 반감기를 갖는 14O이다. 그 외의 방사성 동위 원소 핵종의 반감기는 27초 미만이며, 대부분 83ms(밀리초) 미만이다. 가장 일반적인 붕괴는 전자 포획과 베타 붕괴이며, 붕괴 생성물은 전자 포획의 경우 질소의 동위 원소 핵종, 베타 붕괴의 경우 플루오린의 동위 원소 핵종이 된다.산소-13은 8개의 양성자와 5개의 중성자를 가진 불안정한 동위 원소이다. 스핀은 3/2−이며, 반감기는 8.58ms이다. 원자 질량은 13.024815Da이다. 전자 포획으로 질소-13으로 붕괴하며, 붕괴 에너지는 17.770MeV이다. 모핵종은 플루오린-14이다.
4. 산소 동위 원소의 활용
18O/16O 비율 측정은 고기후의 변화를 해석하는 데 자주 사용된다. 지구 대기의 산소는 99.759%가 산소-16(16O), 0.037%가 산소-17(17O), 0.204%가 산소-18(18O)이다. 가벼운 동위 원소를 가진 물 분자는 더 쉽게 증발하고 강수로 떨어질 가능성이 적기 때문에, 지구의 담수 및 극지방 얼음은 공기(0.204%) 또는 해수(0.1995%)보다 18O가 약간 적다(0.1981%).[12] 이러한 불일치는 역사적인 빙하 코어를 통해 온도 패턴을 분석할 수 있게 해준다.
산소 동위 원소 비율 측정을 위한 고체 샘플(유기 및 무기)은 일반적으로 은 컵에 보관하여 열분해 및 질량 분석법으로 측정한다.[13] 연구자들은 정확한 측정을 위해 샘플의 부적절하거나 장기간의 보관을 피해야 한다.[13]
자연 산소는 대부분 16O이므로, 다른 안정 동위 원소가 풍부한 샘플은 동위 원소 표지에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광합성에서 방출되는 산소는 소모되는 이산화 탄소(CO2)가 아닌 물(H2O)에서 유래한다는 것이 동위 원소 추적 실험을 통해 입증되었다. 이산화 탄소(CO2)에 포함된 산소는 광합성에 의해 형성된 당을 만드는 데 사용된다.
가압 중수로에서 중성자 감속재는 16O보다 높은 중성자 흡수 단면적 때문에 17O 및 18O가 적은 것이 바람직하다. 이 효과는 경수로에서도 관찰될 수 있지만, 일반 수소(프로튬)는 산소의 모든 안정 동위 원소보다 높은 흡수 단면적을 가지며, 그 수 밀도는 물에서 산소의 두 배이므로 그 효과는 무시할 수 있다. 일부 동위 원소 분리 방법은 중수를 생산할 때 수소의 무거운 동위 원소뿐만 아니라 산소의 무거운 동위 원소도 농축시키므로, 17O 및 18O의 농도가 측정 가능할 정도로 높을 수 있다. 또한, 17O(n,α)14C 반응은 산소의 무거운 동위 원소의 농도가 증가한 것의 또 다른 바람직하지 않은 결과이다. 따라서 핵 반응기에서 사용되는 중수에서 트리튬을 제거하는 시설은 종종 산소의 무거운 동위 원소의 양도 제거하거나 최소한 줄인다.
산소 동위 원소는 해산물의 해양 조성과 온도를 추적하는 데 사용된다.[14]18O는 PET 진단 시 인체에 투여되는 제제 18F-FDG(플루오로데옥시글루코스)의 중요한 원료이기도 하다. 우선, 18O 원자를 포함하는 물(물-18O, H218O)에, 사이클로트론으로 가속한 양성자를 조사한다. 그러면, 18F(반감기 약 110분)가 핵합성되며, 여기에 만노스트리플레이트 등을 반응시킴으로써 18F-FDG가 조제된다. 이것을 인체에 투여하면, 포도당 대사가 활발한 세포에 18F-FDG가 특이적으로 모인다. 이 18F-FDG의 18F가 방사성 붕괴 시 발하는 양전자를 검출기로 감지함으로써, 뇌, 심근, 암 등의 포도당 대사 진단이 가능하게 된다.
또한 15O(반감기 약 2분)로 표지한 산소 가스나 물은 뇌 혈류량이나 산소 대사량 등의 측정에 사용된다.18O와 2H를 동시에 사용함으로써, 사람이나 동물의 에너지 소비량을 구할 수 있다(이중 표지수법).[28]
4. 1. 양전자 방출 단층 촬영 (PET)
산소-15는 양전자 방출 단층 촬영술(PET)에 자주 사용되는 방사성 동위원소이다. 특히 PET 심근 관류 영상을 위한 물과 뇌 영상 등에 사용될 수 있다.[18][19] 원자 질량은 15.0030656이며, 반감기는 122.266초이다. 사이클로트론을 사용하여 질소-14에 중수소를 충돌시켜 생성된다.[20]:14N + 2H → 15O + n
산소-15와 질소-13은 공기 중에서 감마선(예: 번개)이 16O와 14N에서 중성자를 떼어낼 때 생성된다:[21]
:16O + γ → 15O + n
:14N + γ → 13N + n15O는 양전자를 방출하며 15N로 붕괴된다. 양전자는 전자와 빠르게 소멸하여 약 511 keV의 두 개의 감마선을 생성한다. 번개 후, 이 감마 방사선은 2분의 반감기로 감소하지만, 이러한 저에너지 감마선은 평균적으로 공기를 통해 약 90미터만 이동한다. 질소-13에서 나온 양전자에 의해 생성된 방사선과 함께 15O와 13N의 "구름"이 바람에 의해 이동하면서 1분 정도만 감지될 수 있다.[22]18O는 PET 진단 시 인체에 투여되는 제제 18F-FDG(플루오로데옥시글루코스)의 중요한 원료이기도 하다. 18O 원자를 포함하는 물(H218O)에 사이클로트론으로 가속한 양성자를 조사하여 18F를 핵합성하고, 여기에 만노스트리플레이트 등을 반응시켜 18F-FDG를 조제한다.15O로 표지한 산소 가스나 물은 뇌 혈류량이나 산소 대사량 등의 측정에 사용된다. 18O와 2H를 동시에 사용함으로써, 사람이나 동물의 에너지 소비량을 구할 수 있다(이중 표지수법).[28]
4. 2. 이중 표지수법
4. 3. 핵반응 및 원자력 발전
4. 4. 기타 응용
5. 동위 원소 표
수
동위 원소
스핀
동위 원소
범위
(몰 분율)
최대 범위
(몰 분율)