제논 동위 원소

1. 개요

제논은 9개의 안정 동위 원소와 40개 이상의 불안정 동위 원소를 가진다. 안정 동위 원소에는 ¹²⁴Xe, ¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe, ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe, ¹³²Xe, ¹³⁴Xe, ¹³⁶Xe가 있으며, ¹²⁴Xe, ¹³⁴Xe, ¹³⁶Xe는 이중 베타 붕괴를 통해 붕괴할 것으로 예측된다. ¹²⁴Xe는 이중 전자 포획을 통해 ¹²⁴Te로 붕괴하며, ¹³³Xe는 방사성 핵종으로 폐 기능 평가 및 영상화에 사용된다. ¹³⁵Xe는 원자로 작동에 영향을 미치는 핵독이며, ¹³⁶Xe는 이중 베타 붕괴를 통해 바륨-136으로 붕괴한다.

2. 제논 동위 원소

제논은 원자번호 54번의 원소로, 9가지의 안정 동위 원소와 40가지 이상의 불안정 동위 원소를 가진다.

2.1. 안정 동위 원소

제논은 원자번호 54번 원소로, 여러 종류의 동위 원소를 가지고 있다. 이 중 자연에 존재하는 제논 동위 원소는 9가지이며, 그 중 7개는 안정적이고 2개는 매우 긴 반감기를 가지고 있어 사실상 안정 동위 원소로 간주된다.

안정 동위 원소는 다음과 같다.

* 제논-126
* 제논-128
* 제논-129
* 제논-130
* 제논-131
* 제논-132

제논-124와 제논-134는 매우 긴 반감기를 가져 관측상 안정 동위 원소로 분류된다. 제논-124는 이중 전자 포획을 통해 {{lang로 붕괴하며, 그 반감기는 년으로 우주의 나이()보다 훨씬 길다. 이 붕괴는 2019년 XENON1T 검출기에서 관측되어, 직접 관측된 가장 희귀한 과정으로 기록되었다. 제논-134는 이론적으로 이중 베타 붕괴를 통해 {{lang로 붕괴할 수 있지만, 아직 관측되지 않았다.

제논-136은 이중 베타 붕괴를 통해 {{lang으로 붕괴하며, 반감기는 년이다. 이 동위 원소는 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 탐색하는 Enriched Xenon Observatory 실험에 사용된다.

2.2. 불안정 동위 원소

제논-108은 양성자와 중성자 수가 같은 가장 무거운 알려진 동위 원소이다.양성자와 중성자 수가 같은 가장 무거운 알려진 동위 원소 반감기는 72(35) μs이며, α 붕괴를 통해 ¹⁰⁴Te로 붕괴한다.

제논-110은 반감기가 93(3) ms이며, α 붕괴(64%)를 통해 ¹⁰⁶Te으로 붕괴하거나, β⁺ 붕괴(36%)를 통해 ¹¹⁰I으로 붕괴한다.

제논-111은 반감기가 740(200) ms이며, β⁺ 붕괴(89.6%)를 통해 ¹¹¹I로 붕괴하거나, α 붕괴(10.4%)를 통해 ¹⁰⁷Te로 붕괴한다.

제논-112는 반감기가 2.7(8) s이며, β⁺ 붕괴(98.8%)를 통해 ¹¹²I로 붕괴하거나, α 붕괴(1.2%)를 통해 ¹⁰⁸Te로 붕괴한다.

제논-113은 반감기가 2.74(8) s이며, 주로 β⁺ 붕괴(92.98%)를 통해 ¹¹³I로 붕괴한다. 이외에도 β⁺, p (7%)을 통해 ¹¹²Te로 붕괴하거나, α 붕괴를 통해 ¹⁰⁹Te로 붕괴하거나, β⁺, α (~0.007%) 붕괴를 통해 ¹⁰⁹Sb로 붕괴한다.

제논-133(¹³³Xe)은 β^-를 통해 ¹³³Cs으로 붕괴하는 방사성 핵종이다. 반감기는 5.2474(5) 일이다. 폐 기능을 평가하고 폐를 영상화하기 위해 환기/관류 스캔에 사용되며, 특히 뇌의 혈류를 영상화하는 데에도 사용된다. 또한 중요한 핵분열 생성물이며, 일부 원자력 발전소에서 소량의 대기 중으로 배출된다.

제논-135(¹³⁵Xe)는 우라늄의 핵분열 생성물로 생성되는 제논의 방사성 동위 원소이다. 반감기는 약 9.14(2) 시간이며, 가장 강력한 중성자 흡수 핵독으로 알려져 있다 (중성자 흡수 단면적이 200만 반). 핵분열에 의한 제논-135의 전체 수율은 6.3%이지만, 대부분은 핵분열로 생성된 텔루륨-135와 아이오딘-135의 방사성 붕괴로 인해 발생한다. 제논-135는 원자로 작동에 상당한 영향을 미친다 (제논 핏). 일부 원자력 발전소에서는 소량의 제논-135를 대기 중으로 배출한다.

제논-137(¹³⁷Xe)은 3.818(13) 분의 반감기를 가지고 β^- 붕괴를 통해 ¹³⁷Cs로 붕괴한다.

제논-138(¹³⁸Xe)은 14.14(7) 분의 반감기를 가지고 β^- 붕괴를 통해 ¹³⁸Cs로 붕괴한다.

제논-139(¹³⁹Xe)는 39.68(14) 초의 반감기를 가지고 β^- 붕괴를 통해 ¹³⁹Cs로 붕괴한다.

제논-140(¹⁴⁰Xe)은 13.60(10) 초의 반감기를 가지고 β^- 붕괴를 통해 ¹⁴⁰Cs로 붕괴한다.

제논-141(¹⁴¹Xe)은 1.73(1) 초의 반감기를 가지며, 99.96%의 확률로 β^- 붕괴하여 ¹⁴¹Cs로 붕괴하고, 0.044%의 확률로 β^-, n 붕괴를 통해 ¹⁴⁰Cs로 붕괴한다.

제논-142(¹⁴²Xe)는 1.23(2) 초의 반감기를 가지며, 99.63%의 확률로 β^- 붕괴하여 ¹⁴²Cs로 붕괴하고, 0.37%의 확률로 β^-, n 붕괴를 통해 ¹⁴¹Cs로 붕괴한다.

이 외에도 제논-109, 제논-114, 제논-115, 제논-116, 제논-117, 제논-118, 제논-119, 제논-120, 제논-121, 제논-122, 제논-123, 제논-125, 제논-127, 제논-143, 제논-144, 제논-145, 제논-146, 제논-147, 제논-148, 제논-149, 제논-150 등 다양한 불안정 동위 원소가 존재한다.

3. 제논 동위 원소 목록

제논(Xe)은 원자 번호 54번을 갖는 화학 원소로, 여러 동위 원소를 가지고 있다. 위 표는 제논 동위 원소의 목록을 나타낸다. 각 동위 원소는 핵자 수(양성자 수 + 중성자 수), 질량, 반감기, 붕괴 방식, 붕괴 생성 동위 원소, 핵 스핀, 그리고 자연계에 존재하는 비율 등의 정보를 포함하고 있다.

제논 동위 원소 중 일부는 안정하며, 다른 일부는 방사성 붕괴를 통해 다른 원소로 변환된다. 예를 들어, 제논-133은 방사성 동위 원소로, 약 5.25일의 반감기를 가지며 베타 붕괴를 통해 세슘-133으로 변환된다. 반면, 제논-129와 제논-132는 안정한 동위 원소이다.

* #으로 표시된 값은 순수하게 실험값에서 산출된 것이 아니라, 일부 체계적인 경향에서 유도된 추정값을 포함하고 있다.
* 수치의 마지막에 괄호로 표기된 것은, 그 값의 오차를 나타낸다.
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3.1. 상세 정보

제논은 원자번호 54번의 화학 원소로, 다양한 동위 원소를 가지고 있다. 이 동위 원소들은 원자핵 내 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다르다. 제논 동위 원소의 상세 정보는 다음과 같다.

* 주석:
* #으로 표시된 값은 실험적으로 얻어진 값이 아니라, 경향성에서 추정된 값이다.
* 괄호 안의 숫자는 오차를 나타낸다.
* '안정'은 관측적으로 붕괴하지 않는 동위 원소를 의미한다.
* m은 이성질핵을 의미하며, 여기된 상태의 원자핵이다.

제논 동위 원소 중 일부는 안정하며, 다른 일부는 방사성 붕괴를 통해 다른 원소로 변환된다. 특히, 제논-124와 제논-136은 매우 긴 반감기를 가지는 것으로 알려져 있으며, 제논-133은 의학적 용도로, 제논-135는 원자로에서 중요한 역할을 한다.

3.1.1. 제논-124

제논-124는 제논의 동위 원소로, 매우 긴 반감기(약 1.8 × 10^22년)를 가지며, 이는 우주의 나이(약 138억 년)보다 12자리수 이상 더 긴 값이다. 제논-124는 이중 전자 포획을 통해 텔루륨-124로 붕괴된다. 이러한 붕괴는 2019년 XENON1T 검출기에서 관측되었으며, 이는 지금까지 직접 관측된 가장 희귀한 과정이다. (다른 핵종의 더 느린 붕괴도 측정되었지만, 수십억 년 동안 축적된 붕괴 생성물을 직접 관찰하는 대신 검출함으로써 이루어졌다.)

3.1.2. 제논-133

제논-133(상품명: Xeneisol)은 제논의 동위 원소이다. 폐 기능을 평가하고 폐를 영상화하기 위해 환기/관류 스캔에 사용되는 방사성 핵종이다. 또한 특히 뇌의 혈류를 영상화하는 데에도 사용된다.

3.1.3. 제논-135

제논-135는 제논의 방사성 동위 원소이며, 우라늄의 핵분열 생성물로 생성된다. 반감기는 약 9.2시간이며, 가장 강력한 중성자 흡수 핵독으로 알려져 있다 (중성자 흡수 단면적이 200만 반). 핵분열에 의한 제논-135의 전체 수율은 6.3%이지만, 대부분은 핵분열로 생성된 텔루륨-135와 아이오딘-135의 방사성 붕괴로 인해 발생한다. 제논-135는 원자로 작동에 상당한 영향을 미친다 (제논 핏). 일부 원자력 발전소에서는 소량의 제논-135를 대기 중으로 배출한다.

3.1.4. 제논-136

제논-136은 이중 베타 붕괴를 통해 바륨-136으로 붕괴되는 제논의 동위 원소로, 반감기는 2.11 x 10²¹년이다. 이는 우주의 나이(1.3799 ± 0.021 x 10¹⁰년)보다 10배 이상 더 긴 값이다. 제논-136은 Enriched Xenon Observatory 실험에서 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 탐색하는 데 사용되고 있다.