스트론튬 동위 원소

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1. 개요
2. 스트론튬 동위 원소
- 2.1. 안정 동위 원소
- 2.2. 방사성 동위 원소: ⁹⁰Sr
  - 2.2.1. ⁹⁰Sr 분석 방법
  - 2.2.2. ⁹⁰Sr 체내 피폭 및 대응
3. 스트론튬 동위 원소 목록
참조

1. 개요

스트론튬은 원자 번호 38번의 알칼리 토금속 원소로, 여러 동위 원소를 가지고 있다. 자연 상태에서 4가지 안정 동위 원소(⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr, ⁸⁸Sr)가 존재하며, ⁸⁸Sr은 가장 풍부하다. ⁹⁰Sr은 반감기가 약 28.9년인 방사성 동위 원소로, 핵분열 생성물로 생성되어 핵 폐기물 관리에서 중요하게 다뤄진다. ⁹⁰Sr은 베타선을 방출하며 뼈에 축적되어 건강에 해를 끼칠 수 있으며, 분석 및 체내 피폭에 대한 연구가 진행되고 있다.

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스트론튬-90은 우라늄 핵분열 시 생성되는 방사성 동위원소로, 반감기는 28.79년이며 베타 입자를 방출하고, 인체 내 뼈에 축적되어 골수암 등의 위험을 증가시키며, 의료 및 산업 분야에서 활용된다.
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스트론튬 동위 원소
동위 원소 정보
기호	Sr
원자 질량 기준	ref-table
Nubase 2020 참조	예

2. 스트론튬 동위 원소

스트론튬은 원자번호 38번의 알칼리 토금속 원소로, 다양한 동위 원소를 갖는다.

극도로 안정된 결합에너지를 가지고 있어 자연계의 스트론튬 동위체 중 가장 많은 양이 존재하고 있다. 주위의 안정 동위체의 결합에너지에 비해 더 높은 결합에너지인 8.73 MeV대를 가지고 있기 때문이다. 이 정도의 결합에너지보다 더 높은 결합에너지를 가진 동위체로 내려가려면 아연-68까지 내려가야 한다.

이 안정된 결합에너지는 초거성 내부의 중성자 포획과정과 헬륨 핵반응 등과 초신성 폭발시의 게르마늄 이상의 무거운 동위체에 핵반응을 자극하여 자연계에 스트론튬-88을 다른 스트론튬의 동위체보다 더 많은 양을 가지게 해 주었다.

스트론튬-90은 강한 베타선을 내뿜고 이트륨-90으로 붕괴, 다시 강한 베타선을 내뿜고 지르코늄-90으로 붕괴한다. 강한 베타선을 내뿜고 반감기가 28.9년이나 되며, 핵분열 생성물 중 많은 비율로 생성되므로 핵 폐기물을 다룰 때 중요한 동위체로 여겨지고 있다.^[12]^[13]^[14]

스트론튬-90의 강한 열 때문에 다 쓴 핵 폐기물을 원자로의 수조에서 반 이상 줄어들 때까지 30년 이상 담가두어야 한다.

스트론튬에는 16종의 불안정 동위 원소가 존재하는 것으로 알려져 있다. 그중 가장 중요한 것은 반감기가 28.78년인 ⁹⁰Sr이다. 핵분열 반응의 부산물로 핵폭발의 방사성 낙진에서 발견되지만, 스트론튬은 휘발성 화합물을 만들기 어렵기^[10] 때문에, 통상 운전 중인 원자로의 배기 중에는 포함되지 않는 것으로 알려져 있다. 칼슘 대신 뼈에 축적되어 건강 피해를 일으킨다. ⁹⁰Sr은 전자와 반중성미자를 방출하면서 베타 붕괴하여 ⁹⁰Y가 된다.

:

1986년의 체르노빌 원자력 발전소 사고에서는 광범위한 지역이 ⁹⁰Sr에 오염되었다. ⁹⁰Sr은 고에너지의 전자를 방출하는 동위 원소 중에서 가장 수명이 긴 것 중 하나이기 때문에, 원자력 보조 동력 장치(SNAP)에 사용되고 있다. 이 장치는, 경량, 장수명이라는 특징을 가지고 있어, 우주선이나 원격 기상 관측소 등에 사용될 예정이다.

2. 1. 안정 동위 원소

자연에는 4가지의 안정 동위 원소가 존재한다.⁸⁸Sr은 극도로 안정된 결합 에너지를 가지고 있어 자연계 스트론튬 동위 원소 중 가장 많은 양이 존재한다. 주위의 안정 동위 원소의 결합 에너지에 비해 더 높은 결합 에너지인 8.73 MeV대를 가지고 있기 때문이다. 이 정도의 결합 에너지보다 더 높은 결합 에너지를 가진 동위 원소로 내려가려면 아연-68까지 내려가야 한다.

이 안정된 결합 에너지는 초거성 내부의 중성자 포획 과정과 헬륨 핵반응 등과 초신성 폭발 시의 게르마늄 이상의 무거운 동위 원소에 핵반응을 자극하여 자연계에 ⁸⁸Sr이 다른 스트론튬의 동위 원소보다 더 많은 양을 가지게 해 주었다.

2. 2. 방사성 동위 원소: ⁹⁰Sr

⁹⁰Sr은 반감기가 28.9년인 방사성 동위 원소로, 강한 베타선을 방출하며 ⁹⁰Y(이트륨-90)으로 붕괴한다. ⁹⁰Y는 다시 강한 베타선을 방출하며 안정된 ⁹⁰Zr(지르코늄-90)으로 붕괴한다. ⁹⁰Sr은 핵분열 생성물 중 많은 비율로 생성되므로 핵 폐기물을 다룰 때 중요한 동위체로 여겨진다.^[12]^[13]^[14]⁹⁰Sr은 강한 열 때문에 다 쓴 핵 폐기물을 원자로의 수조에서 반 이상 줄어들 때까지 30년 이상 담가두어야 한다.

스트론튬은 칼슘과 화학적 성질이 유사하여, 동물 체내에 섭취되면 대부분 뼈에 흡수된다. 체내에서 ⁹⁰Sr 및 그 딸핵종인 ⁹⁰Y가 β선을 계속 방출한다^[12]. 붕괴 시 γ선은 거의 방출하지 않지만, ⁹⁰Y의 붕괴에서는 극히 일부, ⁹⁰Zr의 여기 상태 핵종으로 붕괴한다^[13]. 또한 반감기가 비교적 길기 때문에 방사선을 장기간에 걸쳐 계속 방출하게 된다. 특히 내부 피폭에 의한 골종양의 위험성이 있다^[14]. 알긴산과 강하게 결합하기 때문에, 알긴산 섭취를 통해 인체로의 흡수를 억제할 수 있다^[15].

대한민국에서는 식품의약품안전처에서 식품 중 방사능 오염 여부를 검사하고 있으며, 특히 ⁹⁰Sr은 세슘 (¹³⁷Cs)과 함께 식품 안전 관리의 주요 지표로 활용되고 있다.

2. 2. 1. ⁹⁰Sr 분석 방법

방사성 스트론튬의 양을 측정하기 위해서는 순수한 스트론튬을 정제하여 추출하고 붕괴로 생성되는 이트륨 (Y)에서 방출되는 베타선을 측정해야 한다. 처리 개요는 방사성 ⁹⁰Sr을 포함한 안정 스트론튬과 함께 이온 교환 수지 흡착법, 강산 수용액을 이용한 산 추출 및 옥살산염법 등의 처리를 통해 다른 알칼리 토금속 (Ca, Ba, Ra)과 분리한다. 그 후, 방사 평형이 성립할 때까지 일정 기간 (약 2주 정도) 방치하여 딸핵종인 이트륨 (Y)의 방사성 동위원소 (⁹⁰Y)를 생성시키고, 이를 Sr으로부터 분리하여 ⁹⁰Y로부터 2.26 MeV의 베타선을 고감도 2π 가스 흐름형 비례 계수기를 사용하여 측정한다. ⁹⁰Y는 반감기가 64.2시간이므로 ⁹⁰Y가 감쇠할 때까지 여러 번 측정을 수행하여 ⁹⁰Sr의 양을 결정할 수 있다. 또한, 동시에 분석한 시료의 Sr 회수율을 별도로 구해둘 필요도 있다^[11].

2. 2. 2. ⁹⁰Sr 체내 피폭 및 대응

스트론튬은 칼슘과 화학적 성질이 유사하기 때문에, 동물 체내에서 섭취되면 일부는 배설되지만 대부분이 뼈에 흡수되어 체내에서 ⁹⁰Sr 및 그 딸핵종인 ⁹⁰Y가 β선을 계속 방출한다^[12]. 붕괴 시 γ선은 거의 방출하지 않지만, ⁹⁰Y의 붕괴에서는 극히 일부, ⁹⁰Zr의 여기 상태 핵종인 1.761 MeV 준위(스핀 0⁺, 0.01%) 및 2.186 MeV 준위(스핀 2⁺, 1.4×10^-6%)로 붕괴한다^[13]. 또한 반감기가 비교적 길기 때문에 방사선을 장기간에 걸쳐 계속 방출하게 된다. 특히 내부 피폭에 의한 골종양의 위험성이 있다^[14].

알긴산과 강하게 결합하기 때문에, 알긴산의 섭취를 통해 인체로의 흡수를 억제할 수 있다^[15].

3. 스트론튬 동위 원소 목록

스트론튬은 원자번호 38번의 화학 원소로, 여러 동위 원소를 가진다. ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr, ⁸⁸Sr의 네 가지 안정 동위 원소가 존재하며, 이들의 자연 존재비는 각각 0.56%, 9.86%, 7.0%, 82.58%이다.^[19]^[20]^[21] ⁸⁴Sr은 관측적으로 안정적이다.^[5]

스트론튬 동위 원소는 질량수 73에서 105까지 존재한다. ⁷³Sr은 반감기가 25ms보다 길며, 99.9% 이상의 확률로 β⁺ 붕괴하여 ⁷³Rb이 되고, 0.1% 미만의 확률로 β⁺ 붕괴 및 양성자 방출을 통해 ⁷²Kr이 된다.^[16]^[17]^[18] 가장 안정한 방사성 동위 원소는 ⁸⁵Sr로, 반감기는 64.853일이며 전자 포획을 통해 ⁸⁵Rb으로 붕괴한다.^[18] ⁹⁰Sr은 반감기가 28.90년으로, β^- 붕괴를 통해 ⁹⁰Y으로 붕괴한다.^[21]

핵종	Z	N	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소	핵 스핀
⁷³Sr	38	35	72.96597(64)#	>25 ms	β⁺ (>99.9%)	⁷³Rb	1/2-#
⁷⁴Sr	38	36	73.95631(54)#	50# ms [>1.5 µs]	β⁺	⁷⁴Rb	0+
⁷⁵Sr	38	37	74.94995(24)	88(3) ms	β⁺ (93.5%)	⁷⁵Rb	(3/2-)
⁷⁶Sr	38	38	75.94177(4)	7.89(7) 초	β⁺	⁷⁶Rb	0+
⁷⁷Sr	38	39	76.937945(10)	9.0(2) 초	β⁺ (99.75%)	⁷⁷Rb	5/2+
⁷⁸Sr	38	40	77.932180(8)	159(8) 초	β⁺	⁷⁸Rb	0+
⁷⁹Sr	38	41	78.929708(9)	2.25(10) 분	β⁺	⁷⁹Rb	3/2(-)
⁸⁰Sr	38	42	79.924521(7)	106.3(15) 분	β⁺	⁸⁰Rb	0+
⁸¹Sr	38	43	80.923212(7)	22.3(4) 분	β⁺	⁸¹Rb	1/2-
⁸²Sr	38	44	81.918402(6)	25.36(3) 일	EC	⁸²Rb	0+
⁸³Sr	38	45	82.917557(11)	32.41(3) 시간	β⁺	⁸³Rb	7/2+
^83mSr	259.15(9) keV			4.95(12) 초	IT	⁸³Sr	1/2-
⁸⁴Sr	38	46	83.913425(3)	안정^[19]	0+	0.0056(1)	0.0055-0.0058
⁸⁵Sr	38	47	84.912933(3)	64.853(8) 일	ε	⁸⁵Rb	9/2+
^85mSr	238.66(6) keV			67.63(4) 분	IT (86.6%)	⁸⁵Sr	1/2-
⁸⁶Sr	38	48	85.9092602(12)	안정	0+	0.0986(1)	0.0975-0.0999
^86mSr	2955.68(21) keV			455(7) ns	8+
⁸⁷Sr	38	49	86.9088771(12)	안정	9/2+	0.0700(1)	0.0694-0.0714
^87mSr	388.533(3) keV			2.815(12) 시간	IT (99.7%)	⁸⁷Sr	1/2-
⁸⁸Sr	38	50	87.9056121(12)	안정	0+	0.8258(1)	0.8229-0.8275
⁸⁹Sr	38	51	88.9074507(12)	50.57(3) 일	β^-	⁸⁹Y	5/2+
⁹⁰Sr	38	52	89.907738(3)	28.90(3) 년	β^-	⁹⁰Y	0+
⁹¹Sr	38	53	90.910203(5)	9.63(5) 시간	β^-	⁹¹Y	5/2+
⁹²Sr	38	54	91.911038(4)	2.66(4) 시간	β^-	⁹²Y	0+
⁹³Sr	38	55	92.914026(8)	7.423(24) 분	β^-	⁹³Y	5/2+
⁹⁴Sr	38	56	93.915361(8)	75.3(2) 초	β^-	⁹⁴Y	0+
⁹⁵Sr	38	57	94.919359(8)	23.90(14) 초	β^-	⁹⁵Y	1/2+
⁹⁶Sr	38	58	95.921697(29)	1.07(1) 초	β^-	⁹⁶Y	0+
⁹⁷Sr	38	59	96.926153(21)	429(5) ms	β^- (99.95%)	⁹⁷Y	1/2+
⁹⁸Sr	38	60	97.928453(28)	0.653(2) 초	β^- (99.75%)	⁹⁸Y	0+
⁹⁹Sr	38	61	98.93324(9)	0.269(1) 초	β^- (99.9%)	⁹⁹Y	3/2+
¹⁰⁰Sr	38	62	99.93535(14)	202(3) ms	β^- (99.02%)	¹⁰⁰Y	0+
¹⁰¹Sr	38	63	100.94052(13)	118(3) ms	β^- (97.63%)	¹⁰¹Y	(5/2-)
¹⁰²Sr	38	64	101.94302(12)	69(6) ms	β^- (94.5%)	¹⁰²Y	0+
¹⁰³Sr	38	65	102.94895(54)#	50# ms [>300 ns]	β^-	¹⁰³Y
¹⁰⁴Sr	38	66	103.95233(75)#	30# ms [>300 ns]	β^-	¹⁰⁴Y	0+
¹⁰⁵Sr	38	67	104.95858(75)#	20# ms [>300 ns]

참조

_[1] 서적 Radiogenic Isotope Geology https://www.cambridg[...] Cambridge University Press 2018
_[2] 논문 Strontium 89 for Palliation of Bone Metastases 1986-01
_[3] 논문 Strontium-90 in environmental samples from Northern Germany before and after the Chernobyl accident https://inis.iaea.or[...] 1987
_[4] 웹사이트 Discovery by UMass Lowell-led team challenges nuclear theory https://www.spacedai[...] 2022-06-26
_[5] 문서 Believed to decay by β⁺β⁺ to ⁸⁴Kr
_[6] 문서 Used in [[rubidium–strontium dating]]
_[7] 문서 [[Fission product]]
_[8] 논문 Identification of 45 New Neutron-Rich Isotopes Produced by In-Flight Fission of a ²³⁸U Beam at 345 MeV/nucleon Physical Society of Japan 2010
_[9] 논문 Observation of new neutron-rich isotopes in the vicinity of ¹¹⁰Zr https://journals.aps[...] 2021
_[10] 웹사이트 ストロンチウム90 http://www.cnic.jp/m[...]
_[11] 웹사이트 ストロンチウムの放射化学分析と測定 (09-04-03-26) https://atomica.jaea[...]
_[12] 웹사이트 放射能ミニ知識ストロンチウム-90 http://www.cnic.jp/m[...]
_[13] 서적 原子核はなぜ壊れるか丸善 1989
_[14] 서적 ラジオアイソトープ基礎原子力講座3 コロナ社 1979
_[15] 논문 西出英一:海藻多糖類 https://doi.org/10.1[...] 1988
_[16] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]
_[17] 문서 약어:IT: [[이성질핵 전이]]
_[18] 문서 안정 동위 원소는 굵은체로 표기, 우주의 나이보다 반감기가 긴 동위 원소의 반감기는 굵은 흘림체로 표기
_[19] 문서 β⁺β⁺ 붕괴를 통해 ⁸⁴Kr으로 붕괴할 수 있다.
_[20] 문서 [[루비듐-스트론튬 연대 측정]]에 이용된다.
_[21] 문서 [[핵분열 생성물]]

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