탄소-12
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1. 개요
탄소-12는 탄소의 안정 동위원소로, 원자 질량의 기준이 되며, 몰(mol)의 정의와 방사성 탄소 연대 측정법에 사용된다. 1959년 이전에는 몰을 산소를 기준으로 정의했으나, 이후 탄소-12를 기준으로 변경되었다. 1961년에는 탄소-12 원자 1개 질량의 1/12을 원자 질량 단위로 정의하여 현재까지 사용되고 있다. 또한 탄소-12는 호일 상태라는 들뜬 상태를 가지며, 별의 핵합성에 중요한 역할을 한다.
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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-13
탄소-13은 자연계 탄소의 약 1.1%를 차지하는 안정 동위원소로, 핵자기 공명 분광법과 질량 분석법에 활용되며, 농축 화합물은 대사 경로 연구, 단백질 정량, 의학적 진단 등에, ¹³C/¹²C 비율 분석은 식물의 광합성 유형, 동물의 식성, 고대 기후 연구 등에 활용된다.
| 탄소-12 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 핵 정보 | |
| 질량수 | 12 |
| 중성자 수 | 6 |
| 양성자 수 | 6 |
| 질량 | 12 (정의) |
| 스핀 | 0 |
| 과잉 에너지 | 0.0 |
| 결합 에너지 | 92161.753±0.014 |
| 존재 비율 | |
| 자연 존재비 | 98.93% |
| 생성 정보 | |
| 모핵종 | 질소-12 |
| 모핵종 기호 | N |
| 모핵종 질량수 | 12 |
| 모핵종 2 | 붕소-12 |
| 모핵종 2 기호 | B |
| 모핵종 2 질량수 | 12 |
| 기타 정보 | |
| 다른 이름 | 炭素12 |
2. 역사
탄소-12는 원자 질량의 기준이 된다. 1961년에 탄소-12 원자 1개 질량의 1/12를 원자 질량 단위로 하는 정의가 채택되면서[1] 현재까지 사용되고 있다.
이전까지는 산소를 이용하여 원자 질량을 정의하였으나, 물리학자들은 산소-16만을 고려한 원자 질량 단위를 사용한 반면 화학자들은 모든 산소 동위 원소의 비율을 고려한 원자 질량 단위를 사용하여 미세한 오차가 발생하였다.[16] 이러한 이유로 탄소-12를 기준으로 채택하였으며, 이 정의에 따라 탄소-12의 원자 질량은 정확히 12가 되고, 이와 비교한 다른 원자들의 상대적 질량값을 원자량으로 정하게 된다.
2. 1. 몰(mol) 정의의 변화
1959년 이전에는 국제순수·응용물리학연합(IUPAP)과 국제순수·응용화학연합(IUPAC)이 모두 산소를 이용하여 몰(mol)을 정의했다. 화학자들은 몰을 질량이 16g인 산소 원자의 수로 정의했고, 물리학자들은 산소-16 동위원소만을 사용하여 정의했다.[16] 두 기관은 1959년부터 1960년까지 탄소-12를 기준으로 몰을 정의하는 데 합의했다.[15]> 몰은 0.012kg의 탄소-12와 같은 수의 기본 입자를 포함하는 물질의 양이며, 기호는 "mol"이다.
1961년, 탄소-12 동위원소가 다른 모든 원소의 원자량을 측정하는 기준으로 선택되었다.[2]
2. 2. 국제 표준 채택
1967년 국제도량형위원회(CIPM)에서 탄소-12 12g에 있는 원자의 수만큼의 기본 입자를 포함하는 계의 물질량을 몰(mol)로 정의하였다.[15] 이 정의는 1971년 제14차 국제도량형총회(CGPM)에서 공식적으로 채택되었다.[15]1980년 CIPM은 탄소-12 원자가 결합되지 않고 바닥 상태에 있다고 정의를 명확히 하였다.[15]
2018년 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 몰을 정확히 6.02214076 × 1023개의 기본 입자로 명시하여, 탄소-12 12g에 있는 몰의 수는 실험적으로 결정되어야 했다.
2019년 5월 20일, 아보가드로 수에 기반하여 몰의 정의가 재정의되면서 1몰의 탄소-12 질량은 더 이상 정확히 12g이 아니게 되었다.[10]
3. 이용
탄소-12는 여러 분야에서 중요하게 활용된다.
| 활용 분야 | 설명 |
|---|---|
| 원자 질량 단위 기준 | 1961년부터 원자 질량의 기준으로 사용되고 있다. 탄소-12 원자 1개 질량의 1/12를 원자 질량 단위로 정의한다.[15] |
| 방사성 탄소 연대 측정법 | 유기물의 연대를 측정하는 데 사용된다. 생명체가 살아있는 동안에는 대기 중 탄소-12와 탄소-14의 비율이 일정하게 유지되지만, 생명체가 죽으면 탄소-14는 붕괴하고 탄소-12는 그대로 남아있어 둘의 비율에 차이가 생긴다. 이 비율을 비교하여 연대를 측정한다.[17] |
3. 1. 원자 질량 단위
탄소-12는 원자 질량의 기준이다. 1961년에 탄소-12 원자 1개 질량의 1/12를 원자 질량 단위로 하는 정의가 채택되었으며[15], 현재까지 사용되고 있다. 이전까지는 산소를 이용하여 원자 질량을 정의하였으나, 물리학자들은 산소-16만을 고려한 원자 질량 단위를 사용한 반면 화학자들은 모든 산소 동위 원소의 비율을 고려한 원자 질량 단위를 사용하면서 미세한 오차가 발생하였기 때문이다[16]. 이 정의에 따라 탄소-12의 원자 질량은 정확히 12가 되며, 이와 비교한 다른 원자들의 상대적 질량값을 원자량으로 정하게 된다. 1961년에 공식적으로 탄소-12는 모든 원자핵의 질량 표준으로 산소를 대체했다.[9]3. 2. 방사성 탄소 연대 측정법
대기 중의 탄소-12와 탄소-14의 비율은 일정하게 유지되며, 생명체가 살아 있는 동안은 대기 중의 탄소를 끊임없이 교환한다. 따라서 생명체 내의 탄소-12와 탄소-14의 비율은 대기 중에서의 비율과 거의 일치하며, 역시 일정하게 유지된다. 그러나 생명체가 죽은 후에는 탄소 동위 원소 간의 교환이 중단되고 탄소-14가 계속해서 붕괴하므로 생명체 내에서의 탄소-14의 비율이 지속적으로 감소하게 된다. 이를 이용하여 유기물에서 탄소-12와 탄소-14의 비율을 비교하면 그 물질의 연대를 측정할 수 있는데, 이것이 바로 방사성 탄소 연대 측정법이다. 대략 6만 년까지의 연대를 비교적 정확하게 측정할 수 있다[17].4. 호일 상태 (Hoyle state)
호일 상태는 탄소-12의 들뜬 상태이자 스핀이 없는 공명 상태이다. 삼중 알파 과정을 통해 생성되며, 프레드 호일이 1950년대에 우주에서 무거운 원소들이 많이 관측되는 현상을 바탕으로 그 존재를 예측했다. 호일 상태의 존재는 실험으로 확인되었지만, 그 정확한 특성은 여전히 연구 중이다.[11] [3] [4]
4. 1. 호일 상태의 발견과 예측
'''호일 상태'''(Hoyle state)는 탄소-12의 들뜬 상태이자 스핀이 없는 공명 상태이다. 삼중 알파 과정을 통해 생성되며, 1954년 프레드 호일(Fred Hoyle)에 의해 존재가 예측되었다.[3] 7.7 MeV의 공명 에너지를 갖는 호일 상태의 존재는 헬륨 연소 항성에서 탄소의 핵합성에 필수적이며, 항성 환경에서의 탄소 생성량을 관측 결과와 일치하게 예측한다. 호일 상태의 존재는 실험적으로 확인되었지만, 그 정확한 특성은 여전히 연구 중이다.[4]
호일 상태는 높은 온도(108 K) 환경과 높은 밀도(105 g/cm3)의 헬륨에서 헬륨-4 핵이 베릴륨-8 핵과 융합될 때 생성된다. 8Be의 짧은 반감기 때문에 이 과정은 10−16초 이내에 일어나야 한다. 호일 상태 또한 2.4|×|10|-16영어초의 짧은 반감기를 갖는 공명 상태이며, 주로 세 개의 구성 알파 입자로 붕괴되지만, 0.0413% (2421.3개 중 1개)는 12C의 바닥 상태로의 내부 전환을 통해 붕괴된다.[5]
2011년, 탄소-12의 저준위 상태에 대한 이론적 계산에서 (바닥 상태와 들뜬 스핀-2 상태 외에도) 호일 상태의 모든 특성을 갖는 공명 상태가 발견되었다.[6][7] 프레드 호일은 1950년대에 우주에 무거운 원소가 많이 관측되는 것으로부터 호일 상태를 예측했다. 이 공명 상태에 의해 삼중 알파 과정에서 탄소가 형성된다.
4. 2. 호일 상태의 생성 과정
호일 상태는 이상의 고온과 105 g/cm3의 고밀도 헬륨 환경에서 헬륨-4 핵이 베릴륨-8 핵과 융합될 때 생성된다. 8Be는 반감기가 짧아 이 과정은 10−16초 이내에 일어나야 한다.[3] 호일 상태 또한 2.4×10−16|2.4×10−16영어초의 짧은 반감기를 갖는 공명 상태이며, 주로 세 개의 알파 입자로 붕괴되지만, 0.0413%(2421.3개 중 1개)는 12C의 바닥 상태로 내부 전환을 통해 붕괴된다.[5]
4. 3. 호일 상태의 붕괴
호일 상태는 짧은 반감기를 가지며, 주로 세 개의 알파 입자로 붕괴되지만, 0.0413%(2421.3개 중 1개)는 12C의 바닥 상태로 내부 전환을 통해 붕괴된다.[5]
2011년, 탄소-12의 저준위 상태에 대한 이론적 계산에서 (바닥 상태와 들뜬 스핀-2 상태 외에도) 호일 상태의 모든 특성을 갖는 공명 상태가 발견되었다.[6][7]
5. 동위원소 분리
탄소 동위원소는 이산화탄소 기체 형태로 아민 카바메이트와의 계단식 화학 교환 반응을 통해 분리될 수 있다.[8][12]
참조
[1]
웹사이트
Table of Isotopic Masses and Natural Abundances
http://www.ncsu.edu/[...]
1999-00-00
[2]
웹사이트
Atomic Weights and the International Committee — A Historical Review
http://www.iupac.org[...]
2004-01-26
[3]
논문
On Nuclear Reactions Occurring in Very Hot Stars. I. the Synthesis of Elements from Carbon to Nickel
[4]
논문
The Hoyle state in 12C
https://research.bir[...]
2014-00-00
[5]
논문
Measurement of the radiative branching ratio for the Hoyle state using cascade gamma decays
https://www.research[...]
2013-00-00
[6]
논문
Ab Initio Calculation of the Hoyle State
[7]
간행물
Viewpoint: The carbon challenge
http://physics.aps.o[...]
[8]
논문
Optimum design of multi-stage isotope separation process by exergy analysis
2006-12-00
[9]
웹사이트
Atomic Weights and the International Committee — A Historical Review
http://www.iupac.org[...]
2004-01-26
[10]
웹사이트
molar mass of carbon-12
https://physics.nist[...]
The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology.
2019-05-20
[11]
논문
Structure of the Hoyle State in C12
http://www.nscl.msu.[...]
[12]
논문
Optimum design of multi-stage isotope separation process by exergy analysis
http://www.sciencedi[...]
2006-12-00
[13]
웹인용
Isotope data for Carbon-12
http://periodictable[...]
2014-09-07
[14]
웹인용
Carbon-12
http://www.wolframal[...]
2014-09-07
[15]
웹사이트
Atomic Weights and the International Committee — A Historical Review
http://www.iupac.org[...]
2004-01-26
[16]
서적
하이탑 고등학교 화학 I
두산동아
[17]
웹인용
숯, 흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 탄소
http://navercast.nav[...]
2014-09-07
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