탄소 동위 원소
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목차
1. 개요
탄소 동위 원소는 탄소 원자의 서로 다른 형태를 의미하며, 원자핵 내 중성자 수의 차이로 인해 질량이 다르다. 탄소에는 세 가지 자연 동위 원소인 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14가 존재하며, 탄소-12는 가장 풍부한 안정 동위 원소로 원자 질량의 기준이 된다. 탄소-13은 핵자기 공명 실험에 사용되며, 탄소-14는 방사성 동위 원소로 방사성 탄소 연대 측정법에 활용된다. 탄소 동위 원소는 해양 순환 및 고기후 연구, 식품 및 식이 연구 등 다양한 분야에서 활용된다.
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- 탄소 동위 원소 - 탄소-14
탄소-14는 5,730±40년의 반감기를 가진 탄소의 방사성 동위원소로, 우주선과 질소의 핵반응으로 생성되어 베타 붕괴를 통해 질소-14로 변환되며, 방사성 탄소 연대 측정법에 활용되어 고고학, 지구과학 등 여러 분야에서 연대 측정에 중요한 역할을 한다. - 탄소 동위 원소 - 탄소-12
탄소-12는 6개의 양성자와 6개의 중성자로 이루어진 탄소 동위원소로, 원자 질량 단위의 기준이자 몰 정의에 중요한 역할을 했으며, 방사성 탄소 연대 측정과 핵융합 과정의 호일 상태에도 활용된다. - 동위 원소 - 안정 동위 원소
안정 동위원소는 붕괴가 관찰되지 않은 254개의 핵종으로, 자연에 약 251개가 존재하며 우주적 과정을 이해하는 데 중요한 정보를 제공한다. - 동위 원소 - 핵종
핵종은 특정 양성자 및 중성자 수를 가진 원자핵을 갖는 원자 종류로, 핵적 성질을 강조하며, 양성자 및 중성자 수 조합에 따라 동위원소, 동중원소 등으로 분류되고, 자연계에 약 300종이 존재하며 방사성 붕괴를 통해 변환되기도 한다. - 탄소 - 방사성 탄소 연대 측정
방사성 탄소 연대 측정은 윌러드 리비가 1949년에 발견한 유기 물질 연대 측정 방법으로, 탄소-14의 방사성 붕괴를 이용하여 최대 6만 년까지의 연대를 측정하며, 고고학 유물 연대 측정에 주로 사용된다. - 탄소 - 기후변화 완화
기후변화 완화는 온실가스 배출 감축과 흡수원 증진을 통해 지구 온난화를 억제하고, 지속 가능한 에너지 전환, 효율 향상, 농업 및 산업 정책, 탄소 흡수원 강화, 이산화탄소 제거 기술 개발 등 다양한 조치로 지구 온도 상승을 제한하는 노력이다.
| 탄소 동위 원소 | |
|---|---|
| 탄소 동위 원소 정보 | |
| 원소 기호 | C |
| 동위 원소 | 탄소-11 탄소-12 탄소-13 탄소-14 |
| 탄소-11 | |
| 질량수 | 11 |
| 원자 기호 | C |
| 존재비 | 합성 |
| 반감기 | 20.34 분 |
| 붕괴 방식 | β+ 붕괴 |
| 붕괴 생성물 | 붕소-11 |
| 탄소-12 | |
| 질량수 | 12 |
| 원자 기호 | C |
| 존재비 | 98.94% |
| 반감기 | 안정 |
| 탄소-13 | |
| 질량수 | 13 |
| 원자 기호 | C |
| 존재비 | 1.06% |
| 반감기 | 안정 |
| 탄소-14 | |
| 질량수 | 14 |
| 원자 기호 | C |
| 존재비 | 1 ppt (1/1,000,000,000,000) |
| 반감기 | 5,700 년 |
| 붕괴 방식 | β- 붕괴 |
| 붕괴 생성물 | 질소-14 |
| 참고 | |
| 주석 | 탄소-11은 양전자 방출 단층 촬영(PET)에 사용되는 방사성 동위 원소이다. 탄소-12는 가장 흔한 탄소 동위 원소이며, 안정하다. 탄소-13은 핵자기 공명(NMR) 분광법에 사용되는 안정적인 동위 원소이다. 탄소-14는 방사성 탄소 연대 측정에 사용되는 방사성 동위 원소이다. |
2. 탄소 동위 원소
탄소는 원자번호 6번의 화학 원소로, 다양한 동위원소를 가진다. 동위원소는 원자핵 안의 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소들을 말한다. 탄소의 동위원소는 질량수 8에서 22까지 알려져 있으며, 이 중 12C와 13C는 안정 동위 원소이고, 나머지는 방사성 동위 원소이다.
탄소 동위원소의 특징은 다음과 같이 표로 나타낼 수 있다.
| 핵종 | 양성자 수 | 중성자 수 | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식 | 생성 핵종 | 핵 스핀 | 천연 존재비 | 존재비 범위 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 8C | 6 | 2 | 8.037675(25) | 2x10 | 2p | 6Be | 0+ | ||
| 9C | 6 | 3 | 9.0310367(23) | 126.5(9) ms | β+ (60%) | 9B | (3/2-) | rowspan=3| | rowspan=3| |
| β+, p (23%) | 8Be | ||||||||
| β+, α (17%) | 5Li | ||||||||
| 10C | 6 | 4 | 10.0168532(4) | 19.290(12) s | β+ | 10B | 0+ | ||
| 11C | 6 | 5 | 11.0114336(10) | 20.334(24) min | β+ (99.79%) | 11B | 3/2- | rowspan=2| | rowspan=2| |
| K-포획 (0.21%) | 11B | ||||||||
| 12C | 6 | 6 | 12 (원자 질량의 기준) | 안정 | 0+ | 0.9893(8) | 0.98853-0.99037 | ||
| 13C | 6 | 7 | 13.0033548378(10) | 안정 | 1/2- | 0.0107(8) | 0.00963-0.01147 | ||
| 14C | 6 | 8 | 14.003241989(4) | 5,730y | β− | 14N | 0+ | 미량 | <10−12 |
| 15C | 6 | 9 | 15.0105993(9) | 2.449(5) s | β− | 15N | 1/2+ | ||
| 16C | 6 | 10 | 16.014701(4) | 0.747(8) s | β−, n (97.9%) | 15N | 0+ | rowspan=2| | rowspan=2| |
| β− (2.1%) | 16N | ||||||||
| 17C | 6 | 11 | 17.022586(19) | 193(5) ms | β− (71.59%) | 17N | (3/2+) | rowspan=2| | rowspan=2| |
| β−, n (28.41%) | 16N | ||||||||
| 18C | 6 | 12 | 18.02676(3) | 92(2) ms | β− (68.5%) | 18N | 0+ | rowspan=2| | rowspan=2| |
| β−, n (31.5%) | 17N | ||||||||
| 19C | 6 | 13 | 19.03481(11) | 46.2(23) ms | β−, n (47.0%) | 18N | (1/2+) | rowspan=3| | rowspan=3| |
| β− (46.0%) | 19N | ||||||||
| β−, 2n (7%) | 17N | ||||||||
| 20C | 6 | 14 | 20.04032(26) | 16(3) ms | β−, n (72.0%) | 19N | 0+ | rowspan=2| | rowspan=2| |
| β− (28.0%) | 20N | ||||||||
| 21C | 6 | 15 | 21.04934(54)# | <30 ns | n | 20C | (1/2+)# | ||
| 22C | 6 | 16 | 22.05720(97)# | 6.2(13) ms | β− | 22N | 0+ |
- # 표시: 순수 실험값이 아닌 추정치를 포함한다.
- 괄호 안의 숫자: 값의 오차를 나타낸다.
12C와 13C는 안정 동위 원소로, 자연에 존재하는 탄소의 대부분을 차지한다. 14C는 자연에 미량 존재하며, 방사성 탄소 연대 측정에 사용된다. 그 외의 동위 원소들은 인공적으로 만들어지며, 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다.
2. 1. 안정 동위 원소
탄소는 자연적으로 발생하는 세 가지 동위원소를 가지고 있다. 이 중 12C와 13C는 안정 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 비율은 각각 98.93%와 1.07%이다. 14C는 방사성 동위 원소이지만, 자연계에 미량 존재한다.| 핵자 수 | Z(p) | N(n) | 동위 원소 질량 (u) | 핵 스핀 | 자연계에 존재하는 동위 원소 범위 (몰 분율) | 자연계에 존재하는 최대 범위 (몰 분율) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 12C | 6 | 6 | 12 (정의) | 0+ | 0.9893(8) | 0.98853-0.99037 |
| 13C | 6 | 7 | 13.0033548378(10) | 1/2- | 0.0107(8) | 0.00963-0.01147 |
2. 1. 1. 탄소-12 (¹²C)
탄소-12는 안정 동위 원소로 탄소 동위 원소 중 98.9%를 차지한다. 1961년 원자 질량 단위가 채택된 이래 원자 질량의 기준으로 사용되고 있으며, 이 정의에 따라 탄소-12의 원자 질량은 정확히 12가 된다. 이전까지는 산소를 원자 질량의 기준으로 삼았으나, 화학자들은 산소 동위 원소의 비율을 고려한 단위를, 물리학자들은 산소-16만을 기준으로 한 단위를 사용하여 미세한 오차가 발생하였기 때문에 통일된 것이다.[28]2. 1. 2. 탄소-13 (¹³C)
탄소-13은 탄소의 안정 동위 원소 중 하나로, 전체 탄소의 약 1.1%를 차지한다. 핵 스핀이 1/2-이므로 NMR 실험에 사용되어 유기 화합물의 구조를 파악하는 데 쓰인다. 탄소-12(12C)와 함께 안정적인 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 탄소-13과 탄소-12의 비율은 약 93:1이다.[1]| 핵자 수 | Z(p) | N(n) | 동위 원소 질량 (u) | 핵 스핀 | 자연계에 존재하는 동위 원소 범위 (몰 분율) | 자연계에 존재하는 최대 범위 (몰 분율) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 13C | 6 | 7 | 13.0033548378(10) | 1/2- | 0.0107(8) | 0.00963-0.01147 |
2. 2. 방사성 동위 원소
탄소는 안정한 동위 원소 외에도 여러 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이들은 자연 상태에서는 극히 드물게 발견되거나 인공적으로 만들어진다.| 핵종 | 반감기 | 붕괴 방식 | 생성 핵종 | 핵 스핀 |
|---|---|---|---|---|
| 8C | 20zs | 2p (양성자 2개 방출) | 6Be | 0+ |
| 9C | 126.5ms | β+ (60%) | 9B | (3/2-) |
| β+, p (양성자 방출) (23%) | 8Be | |||
| β+, α (알파 입자 방출) (17%) | 5Li | |||
| 10C | 19.3011s | β+ | 10B | 0+ |
| 11C | 20.3402min | β+ | 11B | 3/2- |
| 14C | 5.7E3 | β− | 14N | 0+ |
| 15C | 2.449s | β− | 15N | 1/2+ |
| 16C | 750ms | β−, n (중성자 방출) (97.9%) | 15N | 0+ |
| β− (2.1%) | 16N | |||
| 17C | 193ms | β− (71.59%) | 17N | (3/2+) |
| β−, n (28.41%) | 16N | |||
| 18C | 92ms | β− (68.5%) | 18N | 0+ |
| β−, n (31.5%) | 17N | |||
| 19C | 46.2ms | β−, n (47.0%) | 18N | (1/2+) |
| β− (46.0%) | 19N | |||
| β−, 2n (7%) | 17N | |||
| 20C | 16ms | β−, n (72.0%) | 19N | 0+ |
| β− (28.0%) | 20N | |||
| 21C | <30 ns | n | 20C | (1/2+)# |
| 22C | 6.2ms | β− | 22N | 0+ |
- 핵 스핀: # 표시는 실험 데이터가 아닌 경향에서 유도된 추정치이다.
- 오차: 괄호 안의 숫자는 값의 오차를 나타낸다.
12C와 13C은 안정 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 탄소의 대부분을 차지한다. 그 외의 탄소 동위 원소들은 모두 방사성 동위 원소이며, 이 중 자연에 존재하는 것은 14C뿐이다. 14C는 우주선에 의해 대기 상층부에서 만들어지며, 반감기는 약 5700년이다. 14C는 방사성 탄소 연대 측정에 사용된다.11C과 그 외의 동위 원소들은 인공적으로 만들어지며, 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다.
2. 2. 1. 탄소-11 (¹¹C)
'''탄소-11'''은 탄소의 방사성 동위원소로, 붕소-11로 붕괴한다. 이 붕괴는 주로 양전자 방출에 의해 일어나지만, 약 0.19~0.23%는 전자 포획에 의해 일어난다.[14][15] 반감기는 20.3402분이다.핵반응식은 다음과 같다.
: → + + + 0.96 MeV
: + → + + 1.98 MeV
탄소-11은 사이클로트론에서 약 16.5 MeV의 양성자를 질소에 충돌시켜 생성할 수 있다. 이는 흡열 반응이다.[16][17]
: + → + − 2.92 MeV
또한 고에너지 를 표적에 발사하여 의 파편화를 통해 생성될 수 있다.[18]
탄소-11은 양전자 방출 단층 촬영(PET)에서 분자의 방사성 표지에 일반적으로 사용되는 방사성 동위원소이다. 이러한 맥락에서 사용되는 많은 분자들 중에는 방사성 리간드인 DASB와 25I-NBOMe가 있다.
2. 2. 2. 탄소-14 (¹⁴C)
탄소-14는 '방사성 탄소'라고도 하며, 약 5730년의 반감기를 거쳐 β- 붕괴하여 14N가 된다.[29] 1936년에 처음으로 그 존재가 관찰되었으며, 자연에는 극미량(전체 탄소의 약 1조 분의 1) 존재한다. 탄소-14는 지상 9km에서 우주선에 의해 생성되는 중성자가 질소-14와 반응하여 생성되며, 그 양은 일정하게 유지되나, 대기권에서 행해지는 핵실험에 의해 변동될 수 있다. 유기물 시료 속에 존재하는 다른 탄소 동위 원소와의 비율을 조사하여 방사성 탄소 연대 측정법에 이용되며, 대략 5만 년까지의 연대를 측정할 수 있다.3. 탄소 동위 원소의 활용
탄소-12(12C)와 탄소-13(13C)는 동위원소 비율 (δ13C)로 측정되며, 저서성 유공충에서 대리 변수로 사용되어 영양염 순환과 온도 의존적인 대기-해양 간 CO2 교환(환기)을 나타낸다.[19] 식물은 햇빛과 이산화탄소를 이용하여 양분을 만들 때 가벼운 동위원소(12C)를 더 쉽게 사용한다. 차가운 물이 심해에서 상승하는 곳(예: 북대서양)에서는 물이 12C를 함께 끌어올린다. 과거 기후의 다른 지표로는 열대 종의 존재와 산호의 성장 고리 등이 있다.[20]
광합성 과정에서 식물은 이산화탄소의 안정 탄소 동위원소를 차별적으로 이용한다. 온대 기후의 풀(보리, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 해바라기, 감자, 토마토, 땅콩, 목화, 사탕무, 대부분의 나무와 그 열매 또는 과일, 장미, 켄터키 블루그래스 등)은 C3 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -26.5‰이다.[23] 더운 건조 기후의 풀(특히 옥수수, 그리고 수수, 수수, 사탕수수, 민들레 등)은 C4 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -12.5‰이다.[23]
이러한 식물의 차이는 소비자의 신체 조직 내 δ13C 값에 영향을 준다. 이 값을 바탕으로 수수와 옥수수를 먹는 사람과 쌀과 밀을 먹는 사람을 쉽게 구분할 수 있다. 시간에 따른 식단 선호도의 지리적 분포를 연구하면 사람들의 이동 경로와 농작물 확산 경로를 파악할 수 있다. 그러나 인간 집단은 C3와 C4 식물을 혼합하거나, 식물과 동물을 함께 섭취하기도 한다. 예를 들어, 중국 북부 사람들은 역사적으로 밀과 수수를, 중국 남동부 사람들은 쌀과 생선을 주식으로 삼았다.[25]
탄소는 원자번호 6번으로, 안정 동위 원소인 탄소-12(12C)와 탄소-13(13C), 방사성 동위 원소인 탄소-14(14C) 외에도 여러 방사성 동위 원소를 가진다.
| 동위 원소 핵종 | 양성자 수 | 중성자 수 | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 핵 스핀 | 붕괴 방식 | 붕괴 생성 동위 원소 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 8C | 6 | 2 | 8.037675(25) | 2E-21 | 0+ | 2p | 6Be |
| 9C | 6 | 3 | 9.0310367(23) | 126.5(9) ms | (3/2-) | β+ (60%) | 9B |
| β+, p (23%) | 8Be | ||||||
| β+, α (17%) | 5Li | ||||||
| 10C | 6 | 4 | 10.0168532(4) | 19.290(12) s | 0+ | β+ | 10B |
| 11C | 6 | 5 | 11.0114336(10) | 20.334(24) min | 3/2- | β+ (99.79%) | 11B |
| K-포획 (0.21%) | 11B | ||||||
| 15C | 6 | 9 | 15.0105993(9) | 2.449(5) s | 1/2+ | β− | 15N |
| 16C | 6 | 10 | 16.014701(4) | 0.747(8) s | 0+ | β−, n (97.9%) | 15N |
| β− (2.1%) | 16N | ||||||
| 17C | 6 | 11 | 17.022586(19) | 193(5) ms | (3/2+) | β− (71.59%) | 17N |
| β−, n (28.41%) | 16N | ||||||
| 18C | 6 | 12 | 18.02676(3) | 92(2) ms | 0+ | β− (68.5%) | 18N |
| β−, n (31.5%) | 17N | ||||||
| 19C | 6 | 13 | 19.03481(11) | 46.2(23) ms | (1/2+) | β−, n (47.0%) | 18N |
| β− (46.0%) | 19N | ||||||
| β−, 2n (7%) | 17N | ||||||
| 20C | 6 | 14 | 20.04032(26) | 16(3) ms [14(+6-5) ms] | 0+ | β−, n (72.0%) | 19N |
| β− (28.0%) | 20N | ||||||
| 21C | 6 | 15 | 21.04934(54)# | <30 ns | (1/2+)# | n | 20C |
| 22C | 6 | 16 | 22.05720(97)# | 6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms] | 0+ | β−,n(61(14)%) | 21N |
탄소의 방사성 동위 원소들은 매우 짧은 반감기를 가지며, 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다.
- 탄소-8(8C): 양성자 2개 방출(2p) → 6Be
- 탄소-9(9C): β+ 붕괴(60%), β+, p 붕괴(23%), β+, α 붕괴(17%)
- 탄소-10(10C): β+ 붕괴 → '''10B'''
- 탄소-11(11C): β+ 붕괴(99.79%), K-포획(0.21%) → '''11B'''
- 탄소-15(15C): β− 붕괴 → '''15N'''
- 탄소-16(16C): β−, n 붕괴(97.9%), β− 붕괴(2.1%)
- 탄소-17(17C): β− 붕괴(71.59%), β−, n 붕괴(28.41%)
- 탄소-18(18C): β− 붕괴(68.5%), β−, n 붕괴(31.5%)
- 탄소-19(19C): β−, n 붕괴(47.0%), β− 붕괴(46.0%), β−, 2n 붕괴(7%)
- 탄소-20(20C): β−, n 붕괴(72.0%), β− 붕괴(28.0%)
- 탄소-21(21C): 중성자(n) 방출 → 20C
- 탄소-22(22C): β-,n 붕괴 → 21N
이러한 특성 때문에 핵물리학 연구에 활용된다.
3. 1. 고기후 연구
12C와 13C는 동위원소 비율 δ13C로 측정되며, 저서성 유공충에서 대리 변수로 사용되어 영양염 순환과 온도 의존적인 대기-해양 간 CO2 교환(환기)을 나타낸다.[19] 식물은 햇빛과 이산화탄소를 이용하여 양분을 만들 때 가벼운 동위원소(12C)를 더 쉽게 사용한다. 예를 들어, 대량의 플랑크톤(부유 생물)이 해양에서 많은 양의 12C를 흡수한다. 원래 12C는 대부분 대기에서 해수로 유입되었다. 플랑크톤이 서식하는 해양이 성층화되어 있다면(즉, 표면 근처에는 따뜻한 물이, 더 깊은 곳에는 차가운 물이 있는 층이 존재한다면), 표층수는 심층수와 잘 섞이지 않아 플랑크톤이 죽으면 가라앉아 표층에서 12C를 제거하고 표층은 상대적으로 13C가 풍부해진다. 차가운 물이 심해에서 상승하는 곳(예: 북대서양)에서는 물이 12C를 함께 상승시킨다. 해양이 현재보다 성층화가 덜 되었을 때는 표층 서식 종의 골격에 12C가 훨씬 더 많았다. 과거 기후의 다른 지표로는 열대 종의 존재와 산호의 성장 고리 등이 있다.[20]3. 2. 식품 및 식이 연구
광합성 과정에서 식물은 이산화탄소의 안정 탄소 동위원소를 차별적으로 이용한다. 온대 기후의 풀(보리, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 해바라기, 감자, 토마토, 땅콩, 목화, 사탕무, 대부분의 나무와 그 열매 또는 과일, 장미, 켄터키 블루그래스 등)은 C3 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -26.5‰이다.[23] 더운 건조 기후의 풀(특히 옥수수, 그리고 수수, 수수, 사탕수수, 민들레 등)은 C4 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -12.5‰이다.[23]이러한 식물의 차이는 소비자의 신체 조직 내 δ13C 값에 영향을 준다. C3 식물만 섭취하는 동물(또는 인간)의 뼈 콜라겐 δ13C 값은 -18.5~-22.0‰, 치아와 뼈의 하이드록시아파타이트는 -14.5‰이다.[24] 반면, C4 식물을 먹는 동물은 뼈 콜라겐 값이 -7.5‰, 하이드록시아파타이트 값이 -0.5‰이다.
이러한 값을 바탕으로 수수와 옥수수를 먹는 사람과 쌀과 밀을 먹는 사람을 쉽게 구분할 수 있다. 시간에 따른 식단 선호도의 지리적 분포를 연구하면 사람들의 이동 경로와 농작물 확산 경로를 파악할 수 있다. 그러나 인간 집단은 C3와 C4 식물을 혼합하거나, 식물과 동물을 함께 섭취하기도 한다. 예를 들어, 중국 북부 사람들은 역사적으로 밀과 수수를, 중국 남동부 사람들은 쌀과 생선을 주식으로 삼았다.[25]
3. 3. 기타 동위 원소
핵종동위 원소
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