수소 동위 원소
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목차
1. 개요
수소 동위 원소는 수소 원자핵 내의 중성자 수에 따라 질량이 다른 원소들을 말한다. 가장 흔한 수소 동위 원소인 1H는 양성자 1개로 구성되어 있으며, 2H(중수소)는 양성자 1개와 중성자 1개, 3H(삼중수소)는 양성자 1개와 중성자 2개로 구성된다. 삼중수소는 방사성 동위 원소로, 베타 붕괴를 통해 헬륨-3으로 변환되며, 핵융합, 추적자, 자가 발광 장치 등에 사용된다. 4H, 5H, 6H, 7H와 같은 다른 수소 동위 원소들은 매우 불안정하며 짧은 반감기를 갖는다. 수소 동위 원소 외에, 양전자와 전자로 구성된 포지트로늄, 양 뮤온과 전자로 구성된 뮤오늄과 같은 수소 유사 이종 원자도 존재한다.
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| 수소 동위 원소 | |
|---|---|
| 핵자 구성 | |
| 양성자 수 | 1 |
| 중성자 수 | 0–6 |
| 수소 동위 원소 | |
| 이름, 기호 | 프로튬, H |
| 이름, 기호 | 듀테륨, H 또는 D |
| 이름, 기호 | 삼중수소, H 또는 T |
| 이름, 기호 | 수소-4, H |
| 이름, 기호 | 수소-5, H |
| 이름, 기호 | 수소-6, H |
| 이름, 기호 | 수소-7, H |
| 주요 동위 원소 | |
| 이름, 기호 | 프로튬, H |
| 원자 질량 | 1.007825032241(94) u |
| 존재비 | 99.9885(70) % |
| 반감기 | 안정적 |
| 붕괴 방식 | 해당 없음 |
| 딸 원소 | 해당 없음 |
| 기타 동위 원소 | |
| 이름, 기호 | 수소-4, H |
| 원자 질량 | 4.02781±0.00011 u |
| 반감기 | 1.39(12) × 10 초 |
| 붕괴 방식 | 중성자 방출 |
| 딸 원소 | H |
2. 수소 동위 원소
수소는 원자 번호 1번의 화학 원소로, 기호는 '''H'''이다. 표준 원자량은 1.008이며, 이는 모든 원소 중 가장 가볍다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 화학 물질로, 우주 전체 질량의 약 75%를 차지한다.[8][9]
수소는 여러 동위 원소를 가지는데, 이들은 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다르다. 주요 동위 원소로는 경수소(1H), 중수소(2H), 삼중수소(3H)가 있으며, 이들은 모두 안정적이거나 비교적 긴 반감기를 가진다. 반면, 4H, 5H, 6H, 7H는 매우 불안정하여 극히 짧은 시간 동안만 존재한다.
| 동위 원소 핵종 | Z(p) | N(n) | 동위체 질량 (u) | 반감기 | 핵 스핀 | 천연 존재비 (몰 분율) | 천연 존재비 범위 (몰 분율) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 1 | 0 | 1.00782503207(10) | 안정 [>2.8×1023 년] | 1/2+ | 0.999885(70) | 0.999816-0.999974 |
| 2H | 1 | 1 | 2.0141017778(4) | 안정 | 1+ | 0.000115(70) | 0.000026-0.000184 |
| 3H | 1 | 2 | 3.0160492777(25) | 12.32(2) 년 | 1/2+ | ||
| 4H | 1 | 3 | 4.02781(11) | 1.39(10)×10-22 초 [4.6(9) MeV] | 2- | ||
| 5H | 1 | 4 | 5.03531(11) | > 9.1×10-22 초 ? | (1/2+) | ||
| 6H | 1 | 5 | 6.04494(28) | 2.90(70)×10-22 초 [1.6(4) MeV] | 2-# | ||
| 7H | 1 | 6 | 7.05275(108)# | 2.3(6)×10-23# 초 [20(5)# MeV] | 1/2+# |
3H를 제외한 다른 동위 원소들의 붕괴 시간은 모두 요토초(10-24 초) 단위이다.
- '''4H'''는 양성자 1개와 중성자 3개로 이루어진 매우 불안정한 동위 원소이다. 실험실에서 삼중수소에 고속 중수소 원자핵을 충돌시켜 합성되었으며,[19] 중성자 방출을 통해 3H로 붕괴한다. 반감기는 1.39(10)×10-22 초이다. 1955년 풍자 소설 ''요새 쥐''에서는 4H를 '쿼디움'이라는 이름으로 묘사하기도 했다.
- '''5H'''는 양성자 1개와 중성자 4개로 이루어진 매우 불안정한 동위 원소이다. 삼중수소에 고속 삼중수소 원자핵을 충돌시켜 합성되었으며,[19][20] 이중 중성자 방출을 통해 3H로 붕괴한다. 반감기는 > 9.1×10-22 초로, 알려진 모든 핵종 중에서 가장 짧다.[1]
- '''6H'''는 양성자 1개와 중성자 5개를 가지며, 반감기는 2.90(70)×10-22 초이다.
- '''7H'''는 양성자 1개와 중성자 6개를 가지며, 2003년 리켄의 방사성 동위원소 빔 팩토리에서 헬륨-8 원자에 수소를 폭격하여 처음 합성되었다.[3] 반감기는 2.3(6)×10-23# 초이다.[1]
2. 1. 수소-1 (경수소, 1H)
'''1H''' (Protium|프로튬영어)는 자연계에 가장 많이 존재하는 수소 동위 원소로, 존재 비율은 99.98% 이상이다. 이 동위 원소는 중수소나 삼중수소 등과 대비하여 '''경수소'''라고도 불린다. 원자핵이 양성자(프로톤) 1개만으로 구성되어 있다는 점에서 '''프로튬'''이라고도 불린다.[8][9]
프로튬은 1개의 양성자와 1개의 전자로 구성되어 있으며, 모든 안정된 동위 원소 중 유일하게 중성자를 포함하지 않는다.
| 동위 원소 핵종 | Z(p) | N(n) | 동위체 질량 (u) | 핵 스핀 | 천연 존재비 (몰 분율) | 천연 존재비 범위 (몰 분율) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 1 | 0 | 1.007825031898(14) | 1/2+ | 0.99985 | 0.99972-0.99999 |
2. 2. 수소-2 (중수소, 2H)
'''2H'''는 수소의 안정 동위 원소이며, '''중수소'''(deuterium)라는 이름으로 알려져 있다.[11][12] 중수소의 원자핵은 하나의 양성자와 하나의 중성자로 구성된다. 지구상에서의 중수소 존재비는 0.0026 - 0.0184% (몰 분율 또는 원자 분율)이다. 중수소는 방사성이 아니며, 맹독은 아니지만 다량 섭취하면 신진대사에 이상을 일으킨다. 분자 중에 중수소를 다량 포함하는 물은 중수라고 불린다. 중수소와 그 화합물은 비방사성 동위 원소 표지로서 화학 실험에 사용되며, 1H-핵자기 공명(NMR) 분석의 용매로도 사용된다. 중수는 중성자의 감속재나 원자로의 냉각수로 사용된다. 중수소는 상업용 핵융합의 연료로도 기대되고 있다.| 동위 원소 핵종 | Z(p) | N(n) | 동위체 질량 (u) | 핵 스핀 | 천연 존재비 (몰 분율) | 천연 존재비 범위 (몰 분율) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2H | 1 | 1 | 2.0141017778(4) | 1+ | 0.000115(70) | 0.000026-0.000184 |
2. 3. 수소-3 (삼중수소, 3H)
'''삼중수소'''(트리튬, tritium)는 1개의 양성자와 2개의 중성자를 가진 수소의 동위 원소이다. 반감기가 12.32년인 방사성 동위 원소이며, 베타 붕괴를 일으켜 헬륨-3을 생성한다.[24]삼중수소는 항성의 핵융합 반응에서 중요한 역할을 하지만, 지구에는 매우 희귀하다. 자연계에 존재하는 소량의 삼중수소는 우주선과 대기의 상호 작용으로 생성되며, 핵실험을 통해서도 방출된다.
삼중수소는 열핵융합 무기, 동위원소 지구화학의 추적자, 자가 발광 장치의 에너지원 등으로 사용된다. D-T 핵융합에서는 삼중수소와 중수소가 주요 반응물로 사용된다. 과거에는 화학 및 생물학 실험에서 방사성 표지로 사용되었으나, 현재는 사용되는 경우가 드물다.
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2. 4. 수소-4 (4H)
'''4H'''는 양성자 1개와 중성자 3개로 구성된 매우 불안정한 수소의 방사성 동위 원소이다. 삼중 수소에 고속 중수소 원자핵을 충돌시켜 합성할 수 있으며[19][25], 이 때 삼중수소 원자핵이 고속 중수소 원자핵으로부터 중성자를 포획한다. 수소-4의 존재는 방출된 양성자를 통해 확인되었다.수소-4는 중성자 방출을 통해 3H로 붕괴하며, 반감기는 ()이다[19][27]。 수소-4의 원자량은 이다[19]。
1955년 풍자 소설 ''요새 쥐''에서, 그랜드 펜윅 공국이 미국에서 탈취한 ''Q-폭탄''의 동력원으로 수소-4와 같은 의미인 '''쿼디움'''이라는 이름이 사용되었다.
2. 5. 수소-5 (5H)
수소-5(Hydrogen-5영어)는 매우 불안정한 수소의 방사성 동위 원소이다. 핵은 1개의 양성자와 4개의 중성자로 구성되어 있다.수소-5는 연구소에서 합성되었으며, 삼중수소에 고속으로 움직이는 삼중수소 핵을 충돌시켜 만들었다.[19][20] 삼중수소 핵이 다른 삼중수소 핵에서 중성자 두 개를 끌어당겨, 1개의 양성자와 4개의 중성자를 가지는 핵이 된다. 이때 남은 양성자가 검출되면 수소-5의 존재를 추론할 수 있다.
수소-5는 이중 중성자 방출을 통해 삼중수소(3H)로 붕괴하며, 반감기는 86 요토초(ys) (8.6 × 10-23 초)로 알려진 모든 핵종 중에서 가장 짧다.[1]
2. 6. 수소-6 (6H)
'''6H''' (질량수 6.04496(27))은 양성자 1개와 중성자 5개로 구성되어 있다. 반감기는 ()이다. 삼중 중성자 방출을 통해 붕괴한다.[30]2. 7. 수소-7 (7H)
7H영어 (원자 질량 )은 양성자 1개와 중성자 6개로 구성되어 있다. 2003년 리켄의 방사성 동위원소 빔 팩토리에서 러시아, 일본, 프랑스 과학자 그룹에 의해 처음 합성되었는데, 이는 헬륨-8 원자로 수소를 폭격하여 헬륨-8의 중성자 6개를 모두 수소 핵에 기증함으로써 이루어졌다. 두 개의 남은 양성자는 RI 빔 사이클로트론의 표적 뒤에 위치한 여러 층의 센서로 만들어진 장치인 "리켄 망원경"에 의해 감지되었다.[3] 7H영어의 반감기는 ()이다.[1]7H영어 핵은 양성자 1개와 중성자 6개로 구성된다. 수소-7은 2003년 러시아, 일본, 프랑스 과학자 팀에 의해 이화학연구소의 RI 빔 과학 연구실에서 처음 합성되었다. 합성은 1H 표적에 고속의 8He를 충돌시키는 방법으로 이루어졌다. 충돌 시 방출되는 양성자 2개가 "리켄 망원경"에 의해 검출되었고, 나머지 양성자 1개와 중성자 6개가 7H영어를 형성하고 있음이 추측되었다.[31] 그 후 다른 그룹에 의해 8He 빔을 12C에 조사하여 7H영어를 관측했다는 보고[32], 9Be 또는 11B 핵에 π 중간자를 반응시켜 7H영어를 관측했다는 보고가 이루어졌다.[33]3. 수소 동위 원소 표
핵종
(몰 분율)
(몰 분율)