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니켈 동위 원소

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목차

1. 개요

니켈은 질량수가 48에서 78에 이르는 여러 동위 원소를 갖는 금속 원소이다. 이 중 니켈-58이 가장 풍부하며, 니켈-62는 핵자당 결합 에너지가 가장 높다. 니켈의 동위 원소는 안정적인 것과 방사성인 것이 있으며, 방사성 동위 원소는 반감기에 따라 다양한 분야에 활용된다. 특히 니켈-56은 초신성 폭발 시 생성되어 광도 곡선에 영향을 미치며, 니켈-59는 운석 연대 측정에, 니켈-63은 폭발물 흔적 감지 및 전자 장치에 사용된다. 또한, 니켈-78은 이중 마법 핵종으로 초신성 핵합성에 중요한 역할을 한다.

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니켈 동위 원소
니켈 동위 원소 정보
원소 기호Ni
참조 - Nubase2020예
동위 원소
질량수58
기호Ni
존재 비율68.077%
안정성안정
반감기안정
질량수59
기호Ni
존재 비율미량
안정성방사성
반감기76,000년
붕괴 방식전자 포획
딸 핵종59Co
질량수60
기호Ni
존재 비율26.223%
안정성안정
반감기안정
질량수61
기호Ni
존재 비율1.140%
안정성안정
반감기안정
질량수62
기호Ni
존재 비율3.635%
안정성안정
반감기안정
질량수63
기호Ni
존재 비율합성
안정성방사성
반감기100년
붕괴 방식베타- 붕괴
딸 핵종63Cu
질량수64
기호Ni
존재 비율0.926%
안정성안정
반감기안정
참고자료

2. 동위 원소

니켈은 자연에서 5가지 안정 동위 원소 (58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni, 64Ni)로 구성되어 있으며, 이 중 58Ni이 68.077%로 가장 많이 존재한다.[25] 62Ni는 모든 핵종 중에서 핵자당 결합 에너지가 가장 높은 것으로 알려져 있다.

니켈의 안정 동위 원소
핵종Z(양성자 수)N(중성자 수)동위 원소 질량 (u)핵 스핀존재 비율 (몰 분율)
58Ni283057.9353429(7)0+0.680769(89)
60Ni283259.9307864(7)0+0.262231(77)
61Ni283360.9310560(7)3/2-0.011399(6)
62Ni283461.9283451(6)0+0.036345(17)
64Ni283663.9279660(7)0+0.009256(9)


2. 1. 방사성 동위 원소

니켈은 여러 방사성 동위 원소를 가지며, 이들은 다양한 분야에서 활용된다.

  • 56Ni: 초신성 폭발 시 규소 연소 과정을 통해 다량으로 생성되며, 56Co를 거쳐 56Fe으로 붕괴한다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 초신성의 광도 곡선에 큰 영향을 미친다.[22][23][24]
  • 59Ni: 반감기 76,000년의 장수명 방사성 핵종으로, 운석의 연대 측정 및 외계 먼지 연구에 활용된다.[26]
  • 63Ni: 베타 붕괴를 통해 '''63Cu'''으로 붕괴하며, 폭발물 탐지, 서지 보호기, 전자 포획 검출기, 베타 전압 발전기 등에 사용된다.
  • 78Ni: 니켈의 가장 무거운 동위 원소 중 하나로, 이중 마법 핵종이며, 초신성 핵합성에서 중요한 역할을 한다.


니켈의 방사성 동위 원소
핵종반감기붕괴 방식붕괴 생성물비고
56Ni6.075(10) 일β+56Co초신성 폭발 시 생성
59Ni7.6(5)×104 년ε (99%)
β+ (1.5x10-5%)		59Co운석 연대 측정
63Ni100.1(20) 년β-63Cu폭발물 탐지 등에 사용
78Ni120# ms
(>300 ns)		β-78Cu초신성 핵합성에 중요


3. 동위 원소 표

[>500 ns]0+49Ni282149.00966(43)#13(4) ms
[12(+5-3) ms]7/2-#50Ni282249.99593(28)#9.1(18) msβ+50Co0+51Ni282350.98772(28)#30# ms
[>200 ns]β+51Co7/2-#52Ni282451.97568(9)#38(5) msβ+ (83%)52Co0+rowspan=2|rowspan=2|β+, p (17%)51Fe53Ni282552.96847(17)#45(15) msβ+ (55%)53Co(7/2-)#rowspan=2|rowspan=2|β+, p (45%)52Fe54Ni282653.95791(5)104(7) msβ+54Co0+55Ni282754.951330(12)204.7(17) msβ+55Co7/2-56Ni282855.942132(12)6.075(10) 일β+56Co0+57Ni282956.9397935(19)35.60(6) 시간β+57Co3/2-58Ni283057.9353429(7)관찰상 안정[25]0+0.680769(89)59Ni283158.9343467(7)7.6(5)×104 년ε (99%)59Co3/2-rowspan=2|rowspan=2|β+ (1.5x10-5%)[26]60Ni283259.9307864(7)안정0+0.262231(77)61Ni283360.9310560(7)안정3/2-0.011399(6)62Ni[27]283461.9283451(6)안정0+0.036345(17)63Ni283562.9296694(6)100.1(20) 년β-63Cu1/2-63mNi87.15(11) keV1.67(3) µs5/2-64Ni283663.9279660(7)안정0+0.009256(9)65Ni283764.9300843(7)2.5172(3) 시간β-65Cu5/2-65mNi63.37(5) keV69(3) µs1/2-66Ni283865.9291393(15)54.6(3) 시간β-66Cu0+67Ni283966.931569(3)21(1) 초β-67Cu1/2-67mNi1007(3) keV13.3(2) µsβ-67Cu9/2+68Ni284067.931869(3)29(2) 초β-68Cu0+68m1Ni1770.0(10) keV276(65) ns0+68m2Ni2849.1(3) keV860(50) µs5-69Ni284168.935610(4)11.5(3) 초β-69Cu9/2+69m1Ni321(2) keV3.5(4) 초β-69Cu(1/2-)69m2Ni2701(10) keV439(3) ns(17/2-)70Ni284269.93650(37)6.0(3) 초β-70Cu0+70mNi2860(2) keV232(1) ns8+71Ni284370.94074(40)2.56(3) 초β-71Cu1/2-#72Ni284471.94209(47)1.57(5) 초β- (>99.9%)72Cu0+rowspan=2|rowspan=2|β-, n (<.1%)71Cu73Ni284572.94647(32)#0.84(3) 초β- (>99.9%)73Cu(9/2+)rowspan=2|rowspan=2|β-, n (<.1%)72Cu74Ni284673.94807(43)#0.68(18) 초β- (>99.9%)74Cu0+rowspan=2|rowspan=2|β-, n (<.1%)73Cu75Ni284774.95287(43)#0.6(2) 초β- (98.4%)75Cu(7/2+)#rowspan=2|rowspan=2|β-, n (1.6%)74Cu76Ni284875.95533(97)#470(390) ms
[0.24(+55-24) 초]β- (>99.9%)76Cu0+rowspan=2|rowspan=2|β-, n (<.1%)75Cu77Ni284976.96055(54)#300# ms
[>300 ns]β-77Cu9/2+#78Ni285077.96318(118)#120# ms
[>300 ns]β-78Cu0+


4. 주요 동위 원소

니켈은 질량수가 48에서 78까지의 동위 원소를 가진다.[7] 이 중 자연에 존재하는 안정 동위 원소는 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni, 64Ni 다섯 가지이다.

니켈의 주요 동위 원소에 대한 자세한 정보는 아래 표와 같다.

핵종양성자 수중성자 수반감기핵 스핀자연 존재비 (%)
48Ni282010 ms0+-
56Ni28286.075일0+-
58Ni2830안정0+68.077
59Ni283176,000년3/2--
60Ni2832안정0+26.223
61Ni2833안정3/2-1.140
62Ni2834안정0+3.635
63Ni2835100.1년1/2--
64Ni2836안정0+0.926
78Ni2850120 ms0+-


4. 1. 니켈-48

'''니켈-48'''은 1999년에 발견되었으며, 알려진 니켈 동위 원소 중 가장 중성자가 적다.[8] 28개의 양성자와 20개의 중성자를 가진 니켈-48은 이중 마법 핵종으로, 과 유사하게 핵종의 위치에서 예상되는 것보다 훨씬 안정적이다(반감기가 0.5μs 미만).[8] 또한, 알려진 이중 마법 핵종 중 가장 높은 양성자 대 중성자 비율(양성자 과잉)을 가지고 있다.[9]

4. 2. 니켈-56


니켈-56은 초신성에서 대량으로 생성된다. 매우 큰 별의 별의 진화 마지막 단계에서 수소, 헬륨과 같은 가벼운 원소의 핵융합이 종료된다. 별의 수명 주기 후반에는 마그네슘, 규소, 황을 포함한 원소들이 융합하여 더 무거운 원소를 형성한다. 마지막 핵융합 반응이 멈추면 별이 붕괴되어 초신성을 일으킨다. 초신성 폭발 동안 규소 연소 과정을 통해 56Ni이 생성된다. 이 니켈 동위 원소는 중성자와 양성자의 수가 같아 두 개의 28Si 원자를 융합하여 쉽게 생성될 수 있기 때문에 선호된다. 56Ni는 알파 과정에서 형성될 수 있는 최종 원소이다. 56Ni보다 무거운 원소가 생성되는 핵반응은 흡열 반응이 되어 에너지 측면에서 불리하다. 56Ni는 β+ 붕괴를 통해 56Co로 붕괴하고, 다시 56Fe로 붕괴한다.[10] 56Ni와 56Co의 방사성 붕괴는 초신성 광도 곡선에 많은 에너지를 공급한다.[11] 초신성의 광도 곡선은 56Ni에서 56Co를 거쳐 56Fe로 붕괴하는 과정에 해당하는 특징적인 시간 척도를 나타낸다.

4. 3. 니켈-58

'''니켈-58'''은 니켈의 동위 원소 중 가장 풍부하며, 자연에서 발견되는 니켈의 68.077%를 차지한다. 구리-58이 전자 포획을 통해 붕괴하거나, 아연-59가 전자 포획과 양성자 방출을 통해 붕괴하면서 생성될 수 있다.[7]

4. 4. 니켈-59

'''니켈-59'''는 반감기가 76,000년인 장수명 우주 기원 방사성 핵종이다. 동위 원소 지질학에서 많은 응용 분야를 찾았으며, 운석의 지상 연대를 측정하고 얼음과 퇴적물에서 외계 먼지의 풍부도를 결정하는 데 사용되었다.[7]

4. 5. 니켈-60

소멸된 방사성 핵종 60Fe|60Fe영어 (반감기 = 260만 년)의 딸 핵종이다. 60Fe|60Fe영어는 반감기가 매우 길어 태양계의 물질에 충분히 높은 농도로 존재하면 60Ni|60Ni영어의 동위 원소 조성에 관찰 가능한 변화를 생성했을 수 있다. 따라서 외계 물질에 존재하는 60Ni|60Ni영어의 풍부도는 태양계의 기원과 초기 역사에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.[7] 불행하게도, 니켈 동위 원소는 초기 태양계에서 불균일하게 분포된 것으로 보여, 현재까지 60Ni|60Ni영어 과잉으로부터 실제 연대 정보가 얻어지지 않았다.[7] 60Ni|60Ni영어은 또한 알파 사다리의 마지막 단계의 생성물인 60Zn|60Zn영어의 붕괴의 안정적인 최종 생성물이다. 다른 생성원으로는 60Co의 베타 붕괴와 60Cu의 전자 포획이 있다.[7]

4. 6. 니켈-61

EPR 분광법 연구에 유용한 핵 스핀(I = 3/2)을 가진 유일한 안정적인 니켈 동위 원소이다.[12]

4. 7. 니켈-62

니켈-62는 전자를 포함한 계산에서 모든 원소의 모든 동위 원소에 대해 핵자당 가장 높은 결합 에너지를 갖는다.[12] 이 동위 원소를 형성하는 데 다른 어떤 것보다 더 많은 에너지가 방출되지만, 핵융합은 더 무거운 동위 원소를 형성할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 칼슘-40 원자는 융합하여 크립톤-80과 4개의 양전자(플러스 4개의 중성미자)를 형성하여 핵자당 77 keV를 방출하지만, 철/니켈 영역으로 이어지는 반응은 바리온당 더 많은 에너지를 방출하므로 더 가능성이 높다.

4. 8. 니켈-63

폭발물 흔적 감지와 서지 보호 장치 같은 특정 종류의 전자 장치에 사용된다.[7] 서지 보호기는 컴퓨터와 같이 민감한 전자 장비에 유입되는 전류의 갑작스러운 변화로부터 보호하는 장치이다. 니켈-63은 주로 할로겐을 감지하기 위해 기체-액체 크로마토그래피의 전자 포획 검출기에도 사용된다. 심박 조율기를 위한 소형 베타전압 발전기에 사용될 것으로 제안되었다.

4. 9. 니켈-64

니켈-64는 니켈의 안정 동위 원소 중 하나이다. 코발트-64의 베타 붕괴와 구리-64의 전자 포획을 통해 생성될 수 있다.[7]

4. 10. 니켈-78

Nickel-78영어은 28개의 양성자와 50개의 중성자를 가진 이중 마법 핵종으로, 불균형한 중성자-양성자 비에도 불구하고 훨씬 더 큰 핵 결합 에너지와 안정성을 가진다. 밀리초의 반감기를 갖는다.[13] 마법 중성자 수의 결과로, Nickel-78영어은 철보다 무거운 원소의 초신성 핵합성에 중요한 관련성을 갖는 것으로 여겨진다.[14] 78Ni는 ''N'' = 50 동중성자체 79Cu 및 80Zn과 함께, ''r''-과정에서 대기 지점을 구성하는 것으로 생각되며, 여기서 추가적인 중성자 포획은 껍질 틈에 의해 지연되고, ''A'' = 80 부근의 동위 원소 축적이 발생한다.[15]

참조

[1] 웹사이트 Isotopes of the Element Nickel http://education.jla[...] Jefferson Lab
[2] 논문 Reinvestigation of Ni 56 decay 1990-08-01
[3] 문서 Believed to decay by β+β+ to '''{{SimpleNuclide|Fe|58}}''' with a half-life over 7×1020 years
[4] 논문 Determination of soft X-ray emitting isotopes in radioactive liquid wastes of nuclear power plants 2003-09
[5] 문서 Highest binding energy per nucleon of all nuclides
[6] 논문 Mass measurements towards doubly magic 78Ni: Hydrodynamics versus nuclear mass contribution in core-collapse supernovae 2022-10
[7] 웹사이트 New nuclides included for the first time in the 2017 evaluation. https://people.nscl.[...] Discovery of Nuclides Project 2018-05-22
[8] 웹사이트 Discovery of doubly magic nickel http://cerncourier.c[...] CERN Courier 2013-04-02
[9] 웹사이트 Twice-magic metal makes its debut | Science News | Find Articles http://www.findartic[...]
[10] 논문 How Much 56Ni Can Be Produced in Core‐Collapse Supernovae? Evolution and Explosions of 30–100M⊙ Stars https://doi.org/10.1[...] 2008-02-01
[11] 논문 Bolometric Light Curve of SN 1987A: Results from Day 616 to 1316 After Outburst https://doi.org/10.1[...] 1991-09
[12] 서적 High Resolution EPR: Applications to Metalloenzymes and Metals in Medicine https://archive.org/[...] Springer
[13] 논문 Viewpoint: Doubly Magic Nickel https://physics.aps.[...] 2017
[14] 뉴스 Atom Smashers Shed Light on Supernovae, Big Bang http://www.skyandtel[...] Sky & Telescope 2005-04-22
[15] 간행물 Beta decay studies of r-process nuclei at the National Superconducting Cyclotron Laboratory 2009
[16] 문서 液体シンチレーション法による広島原爆被爆銅試料中の63Niの測定 http://www.rri.kyoto[...] 京都大学原子炉実験所
[17] 웹사이트 Twice-magic metal makes its debut - isotope of nickel http://www.findartic[...] Science News 2006-09-29
[18] URL http://skyandtelesco[...]
[19] 웹인용 Isotopes of the Element Nickel http://education.jla[...] Jefferson Lab
[20] 웹인용 decay modes of Fe-58 vs Ni-58 http://www.wolframal[...] Wolfram Alpha
[21] URL Table of Standard Atomic Weights 2013 – CIAAW http://www.ciaaw.org[...]
[22] URL Nucleonica: Universal Nuclide Chart http://www.nucleonic[...]
[23] 문서 약자:
IT: [[이성질핵 전이]]
[24] 문서 굵은 글꼴은 안정 동위 원소
[25] 문서 이론적으로는 최소 7×101300년의 반감기를 거쳐 [[이중 베타 붕괴]]를 통해 '''58Fe'''로 붕괴할 것으로 추정되나 실제로 관찰된 적은 없다.
[26] URL http://link.springer[...]
[27] 문서 모든 동위 원소 중 핵자의 [[결합 에너지]]가 가장 높은 동위 원소이다.


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