규소 동위 원소

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1. 개요
2. 규소 동위 원소 목록
- 2.1. 주요 동위 원소
- 2.2. 방사성 동위 원소
  - 2.2.1. ³²Si
  - 2.2.2. ³⁴Si
3. 붕괴 사슬
4. 추가 정보
참조

1. 개요

규소 동위 원소는 규소 원자핵 내 중성자 수의 차이에 따라 구분되며, 다양한 질량수와 반감기를 갖는다. 규소는 세 가지 안정 동위 원소(²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si)를 가지며, ²⁸Si는 가장 풍부하게 존재하여 양자 컴퓨터 제작에 중요한 역할을 한다. ²⁹Si는 핵 스핀을 가진 유일한 안정 동위 원소이며, ³⁰Si는 자연 존재비가 약 3%이다. 방사성 동위 원소로는 ³²Si와 ³⁴Si 등이 있으며, ³²Si는 우주 기원으로 생성되고, ³⁴Si는 특이한 핵 구조를 보인다.

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규소 동위 원소
개요
원소 기호	Si
원자 번호	14
안정 동위 원소
동위 원소	²⁸Si
존재비	92.2%
동위 원소	²⁹Si
존재비	4.7%
동위 원소	³⁰Si
존재비	3.1%
방사성 동위 원소
동위 원소	³¹Si
반감기	2.62시간
붕괴 방식	β^-
붕괴 생성물	³¹P
동위 원소	³²Si
반감기	153년
붕괴 방식	β⁻
붕괴 생성물	³²P

2. 규소 동위 원소 목록

핵종	Z (양성자)	N (중성자)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식^[15]	붕괴 생성 동위 원소	핵 스핀	대표적인 동위 원소 조성 (몰 분율)
²²Si	14	8	22.03453(22)#	29(2) ms	β⁺ (68%) β⁺, p (32%)	²²Al²¹Mg	0+
²³Si	14	9	23.02552(21)#	42.3(4) ms	β⁺	²³Al	3/2+#
²⁴Si	14	10	24.011546(21)	140(8) ms	β⁺ (92%) β⁺, p (8%)	²⁴Al²³Mg	0+
²⁵Si	14	11	25.004106(11)	220(3) ms	β⁺ (63.19%) β⁺, p (36.8%)	²⁵Al ²⁴Mg	5/2+
²⁶Si	14	12	25.992330(3)	2.234(13) s	β⁺	²⁶Al	0+
²⁷Si	14	13	26.98670491(16)	4.16(2) s	β⁺	²⁷Al	5/2+
²⁸Si	14	14	27.9769265325(19)	안정		0+	0.92223(19)	0.92205-0.92241
²⁹Si	14	15	28.976494700(22)	안정		1/2+	0.04685(8)	0.04678-0.04692
³⁰Si	14	16	29.97377017(3)	안정		0+	0.03092(11)	0.03082-0.03102
³¹Si	14	17	30.97536323(4)	157.3(3) min	β⁻	³¹P	3/2+
³²Si	14	18	31.97414808(5)	153 y	β⁻	³²P	0+	미량
³³Si	14	19	32.978000(17)	6.18(18) s	β⁻	³³P	(3/2+)
³⁴Si	14	20	33.978576(15)	2.77(20) s	β⁻	³⁴P	0+
³⁵Si	14	21	34.98458(4)	780(120) ms	β⁻ (94.74%) β⁻, n (5.26%)	³⁵P³⁴P	7/2-#
³⁶Si	14	22	35.98660(13)	0.45(6) s	β⁻ (88%) β⁻, n (12%)	³⁶P³⁵P	0+
³⁷Si	14	23	36.99294(18)	90(60) ms	β⁻ (83%) β⁻, n (17%)	³⁷P³⁶P	(7/2-)#
³⁸Si	14	24	37.99563(15)	90# ms [>1 µs]	β⁻, n β⁻	³⁷P³⁸P	0+
³⁹Si	14	25	39.00207(36)	47.5(20) ms	β⁻	³⁹P	7/2-#
⁴⁰Si	14	26	40.00587(60)	33.0(10) ms	β⁻	⁴⁰P	0+
⁴¹Si	14	27	41.01456(198)	20.0(25) ms	β⁻	⁴¹P	7/2-#
⁴²Si	14	28	42.01979(54)#	13(4) ms	β⁻	⁴²P	0+
⁴³Si	14	29	43.02866(75)#	15# ms [>260 ns]	?	?	3/2-#
⁴⁴Si	14	30	44.03526(86)#	10# ms	?	?	0+

#으로 표시된 값은 순수하게 실험값으로 얻어진 것이 아니라 부분적으로 계통적인 경향에서 추정된 것이다. 불확실한 스핀 할당은 괄호 안에 묶여 있다.
오차는 괄호 안에 간결하게 표시되어 있으며, 해당 자릿수의 표준 편차를 나타낸다.

2. 1. 주요 동위 원소

규소는 자연에서 세 가지 안정 동위 원소, 즉 ²⁸Si (92.23%), ²⁹Si (4.67%), ³⁰Si (3.10%)로 존재한다.^[15] 이들은 모두 양성자 14개를 가지고 있으며, 중성자 수는 각각 14, 15, 16개이다. ²⁸Si는 별에서 알파 과정과 산소 연소 과정을 통해 생성되며, 거대한 별이 초신성으로 변하기 직전 규소 연소 과정을 촉진한다.^[7]^[8] ²⁹Si는 핵 스핀 (''I'' = 1/2)을 가진 유일한 안정적인 규소 동위 원소이다.^[9]

규소의 주요 안정 동위 원소
동위 원소	양성자 수 (Z)	중성자 수 (N)	동위 원소 질량 (u)	핵 스핀	자연 존재비	주요 응용 분야
²⁸Si	14	14	27.9769265325(19)	0+	0.92223(19)	양자 컴퓨터 제작, 킬로그램의 새로운 정의
²⁹Si	14	15	28.976494700(22)	1/2+	0.04685(8)	핵 자기 공명(NMR) 및 초미세 전이 연구
³⁰Si	14	16	29.97377017(3)	0+	0.03092(11)	(별도 응용 분야 언급 없음)

2. 1. 1. ²⁸Si

'''규소-28'''(영어: silicon-28)은 규소의 가장 풍부한 동위 원소로, 자연계에 존재하는 규소의 92.2%를 차지한다.^[15] 양성자 14개와 중성자 14개로 구성되어 있으며, 핵 스핀은 0+이다.

규소-28은 별에서 알파 과정과 산소 연소 과정을 통해 생성된다.^[7]^[8] 거대한 별이 초신성으로 폭발하기 직전, 규소 연소 과정을 통해 핵융합 반응의 최종 단계에서 합성된다.

고도로 농축된 규소-28은 양자 컴퓨터 제작에 중요한 역할을 한다. 양자 디코히어런스의 원인이 되는 ²⁹Si의 존재비를 최소화하기 위해, 99.9998% 이상의 극도로 순수한 규소-28 시료가 사용된다.^[3]^[4] 이러한 고순도 규소-28은 실란 기체에서 ²⁸Si를 선택적으로 이온화하고 증착하여 생산한다.

아보가드로 프로젝트에서는 규소-28의 높은 순도를 이용하여 93.75mm 크기의 구체를 만들고, 이 구체 내의 정확한 원자 수를 측정하여 킬로그램의 새로운 정의를 개발하고자 했다.^[5]^[6]

2. 1. 2. ²⁹Si

²⁹Si^영어는 규소의 안정 동위 원소 중 하나로, 핵 스핀(''I'' = 1/2)을 갖는 유일한 규소 동위 원소이다.^[9] 이러한 특징 때문에 ²⁹Si^영어는 핵 자기 공명(NMR) 및 초미세 전이 연구에 활용된다. 예를 들어, 순수 규소 내 A-센터 결함 특성을 연구하는 데 사용된다.^[10]

규소-29의 특성
핵자 수	29
양성자 수 (Z)	14
중성자 수 (N)	15
동위 원소 질량 (u)	28.976494700(22)
핵 스핀	1/2+
자연 존재비	0.04685(8)
자연 존재비 범위	0.04678-0.04692

2. 1. 3. ³⁰Si

³⁰Si^영어는 규소의 안정 동위 원소 중 하나로, 자연계에서 3.092(11)%를 차지한다. 양성자 14개와 중성자 16개로 구성되어 있으며, 핵 스핀은 0+이다. 동위 원소 질량은 29.97377017(3) u이다.^[15]

2. 2. 방사성 동위 원소

규소는 원자번호 14번 원소로, 여러 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이들은 자연 상태에서는 극미량 존재하거나 인공적으로 합성된다.

핵종	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성물	핵 스핀
²²Si	29(2) ms	β⁺ (68%), β⁺, p (32%)	²²Al, ²¹Mg	0+
²³Si	42.3(4) ms	β⁺	²³Al	3/2+#
²⁴Si	140(8) ms	β⁺ (92%), β⁺, p (8%)	²⁴Al, ²³Mg	0+
²⁵Si	220(3) ms	β⁺ (63.19%), β⁺, p (36.8%)	²⁵Al, ²⁴Mg	5/2+
²⁶Si	2.234(13) s	β⁺	²⁶Al	0+
²⁷Si	4.16(2) s	β⁺	²⁷Al	5/2+
³¹Si	157.3(3) min	β⁻	³¹P	3/2+
³³Si	6.18(18) s	β⁻	³³P	(3/2+)
³⁵Si	780(120) ms	β⁻ (94.74%), β⁻, n (5.26%)	³⁵P, ³⁴P	7/2-#
³⁶Si	0.45(6) s	β⁻ (88%), β⁻, n (12%)	³⁶P, ³⁵P	0+
³⁷Si	90(60) ms	β⁻ (83%), β⁻, n (17%)	³⁷P, ³⁶P	(7/2-)#
³⁸Si	90# ms [>1 µs]	β⁻, n, β⁻	³⁷P, ³⁸P	0+
³⁹Si	47.5(20) ms	β⁻	³⁹P	7/2-#
⁴⁰Si	33.0(10) ms	β⁻	⁴⁰P	0+
⁴¹Si	20.0(25) ms	β⁻	⁴¹P	7/2-#
⁴²Si	13(4) ms	β⁻	⁴²P	0+
⁴³Si	15# ms [>260 ns]	?	?	3/2-#
⁴⁴Si	10# ms	?	?	0+

β⁺는 양전자 방출, p는 양성자 방출, n은 중성자 방출을 나타낸다.
#으로 표시된 값은 측정값이 아닌 추정값이다.

³²Si와 ³⁴Si에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참조하면 된다.

2. 2. 1. ³²Si

³²Si는 규소의 방사성 동위 원소로, 반감기는 153년이다. ³²Si는 β⁻ 붕괴를 통해 ³²P으로 붕괴한다.^[15]

2. 2. 2. ³⁴Si

Silicon-34^영어는 반감기가 2.77(20) 초인 규소의 방사성 동위 원소이다.^[15] ³⁴Si는 ''N'' = 20 닫힌 껍질 외에도 강한 ''Z'' = 14 껍질 닫힘을 보여 이중 마법 핵처럼 행동하는데, 이는 반전의 섬보다 두 양성자 위에 위치한다는 점이 다르다.^[11]³⁴Si는 양성자 분포가 중심부보다 표면 근처에서 덜 밀도가 높은 특이한 "거품" 구조를 가지고 있다. 이는 2''s''_1/2 양성자 오비탈이 ³⁶S와 달리 바닥 상태에서 거의 비어 있기 때문이다.^[12]^[13]³⁴Si는 알려진 클러스터 붕괴 방출 입자 중 하나이며, ²⁴²Cm의 붕괴에서 분기비가 약 10^-16으로 생성된다.^[14] ³⁴Si는 β^- 붕괴를 통해 ³⁴P로 붕괴한다.

3. 붕괴 사슬

²²Si은 68%가 β⁺ 붕괴를 통해 ²²Al로 전환되며, 32%는 β⁺ 붕괴와 함께 p을 하여 ²¹Mg으로 전환된다.^[15] ²³Si은 β⁺ 붕괴를 통해 ²³Al이 된다.^[15] ²⁴Si은 92%가 β⁺ 붕괴를 통해 ²⁴Al로 전환되며, 8%는 β⁺ 붕괴와 함께 양성자 방출을 하여 ²³Mg이 된다.^[15] ²⁵Si은 63.19%가 β⁺ 붕괴를 통해 ²⁵Al로, 36.8%는 β⁺ 붕괴와 함께 양성자 방출을 하여 '''²⁴Mg'''가 된다.^[15] ²⁶Si, ²⁷Si은 β⁺ 붕괴를 통해 각각 ²⁶Al, '''²⁷Al'''로 전환된다.^[15]³¹Si, ³²Si은 β⁻ 붕괴를 통해 각각 '''³¹P''', ³²P로 전환된다.^[15] ³³Si, ³⁴Si은 β⁻ 붕괴를 통해 각각 ³³P, ³⁴P로 전환된다.^[15] ³⁵Si은 94.74%가 β⁻ 붕괴를 통해 ³⁵P로, 5.26%가 β⁻ 붕괴와 함께 n을 하여 ³⁴P로 전환된다.^[15] ³⁶Si은 88%가 β⁻ 붕괴를 통해 ³⁶P로, 12%가 β⁻ 붕괴와 함께 중성자 방출을 하여 ³⁵P로 전환된다.^[15] ³⁷Si은 83%가 β⁻ 붕괴를 통해 ³⁷P로, 17%가 β⁻ 붕괴와 함께 중성자 방출을 하여 ³⁶P로 전환된다.^[15] ³⁸Si은 β⁻ 붕괴와 중성자 방출을 통해 ³⁷P로 전환되거나, β⁻ 붕괴를 통해 ³⁸P로 전환된다.^[15] ³⁹Si, ⁴⁰Si, ⁴¹Si, ⁴²Si은 β⁻ 붕괴를 통해 각각 ³⁹P, ⁴⁰P, ⁴¹P, ⁴²P로 전환된다.^[15]

4. 추가 정보

현재 주어진 원본 소스에 내용이 없기 때문에, '규소 동위 원소' 섹션에 대한 추가 정보를 제공하는 것은 불가능합니다. 따라서 해당 섹션에는 추가 정보가 없음을 명시하는 것이 적절합니다.

참조

_[1] 논문 Crossing ''N'' {{=}} 28 toward the neutron drip line: first measurement of half-lives at FRIB 2022
_[2] 논문 Discovery of Neutron-Rich Silicon Isotopes ^45,46Si Oxford University Press (OUP)
_[3] 논문 Beyond Six Nines: Ultra-enriched Silicon Paves the Road to Quantum Computing https://www.nist.gov[...] 2014-08-11
_[4] 논문 Enriching 28 Si beyond 99.9998 % for semiconductor quantum computing https://iopscience.i[...] 2014-08-30
_[5] 뉴스 Roundest Objects in the World Created https://www.newscien[...] New Scientist 2008-07-01
_[6] 간행물 The Search for a More Perfect Kilogram https://www.wired.co[...] 2023-12-16
_[7] 논문 The physics of core collapse supernovae
_[8] 서적 From Black Clouds to Black Holes https://books.google[...] World Scientific
_[9] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
_[10] 논문 Defects in Irradiated Silicon. I. Electron Spin Resonance of the Si- A Center https://link.aps.org[...] 1961-02-15
_[11] 논문 Normal and intruder configurations in Si 34 populated in the β − decay of Mg 34 and Al 34 2019-09-11
_[12] 뉴스 Physicists find atomic nucleus with a 'bubble' in the middle https://www.sciencen[...] 2016-10-24
_[13] 논문 A proton density bubble in the doubly magic 34Si nucleus 2017-02
_[14] 논문 Cluster radioactivity: an overview after twenty years http://www.rrp.infim[...]
_[15] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]

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