질소 동위 원소
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1. 개요
질소 동위 원소는 질소 원자의 다양한 형태를 의미하며, 자연적으로 존재하는 안정적인 질소 동위 원소는 질소-14와 질소-15 두 가지가 있다. 질소-14는 약 99.636%로 가장 풍부하며, 우주에서 항성 핵합성을 통해 생성되고 탄소-14의 근원이 되기도 한다. 질소-15는 NMR 분광법에 사용되며, 질소 순환 연구에 활용되는 질소-15 추적 기술에도 사용된다. 질소에는 질소-13, 질소-16과 같은 방사성 동위 원소도 존재하며, 질소-13은 PET 촬영에, 질소-16은 원자로 냉각수에서 발견된다.
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| 질소 동위 원소 | |
|---|---|
| 동위 원소 정보 | |
| 기호 | N |
| 동위 원소 표기 | N-13 |
| 핵종 | 질소-13 |
| 존재 비율 | 미량 |
| 반감기 | 9.965분 |
| 붕괴 방식 | β+ 붕괴 |
| 붕괴 생성물 | 탄소-13 |
| 동위 원소 표기 | N-14 |
| 핵종 | 질소-14 |
| 존재 비율 | 99.6% |
| 반감기 | 안정적 |
| 동위 원소 표기 | N-15 |
| 핵종 | 질소-15 |
| 존재 비율 | 0.4% |
| 반감기 | 안정적 |
| 동위 원소 표기 | N-16 |
| 핵종 | 질소-16 |
| 존재 비율 | 합성 |
| 반감기 | 7.13초 |
| 붕괴 방식 | β- 붕괴, β-α 붕괴 |
| 붕괴 생성물 | 산소-16, 탄소-12 |
2. 자연적인 동위원소
질소-14(14N)와 질소-15(15N)는 자연에 존재하는 두 가지 안정된 질소 동위 원소이다. 질소-14는 자연 상태 질소의 약 99.636%를 차지하며, CNO 순환의 일부로 항성 핵합성을 통해 우주에서 생성된다. 또한 질소-14는 탄소-14 생성의 근원이 된다. 질소-15는 산소-15의 양전자 방출과 탄소-15의 베타 붕괴로 생성되며, 모든 동위 원소 중 열 중성자 포획 단면적이 가장 낮다.
2. 1. 질소-14 (14N)
질소-14는 화학 원소 질소의 두 안정 동위 원소 중 하나로, 자연 상태의 질소 중 약 99.636%를 차지한다.[1] 질소-14는 양성자와 중성자 수가 모두 홀수인(각각 7개) 안정 동위 원소 중 하나이며, 해당 원소의 대부분을 차지하는 유일한 동위 원소이다.[2] 각 양성자 또는 중성자는 핵 스핀 ±스핀 1/2을 기여하여, 핵은 총 자기 스핀 1을 갖는다.[2]우주에서 질소-14의 기원은 항성 핵합성으로 여겨지며, CNO 순환의 일부로 생성된다.[2]
질소-14는 자연 발생 방사성 탄소-14의 근원이다.[2] 일부 종류의 우주 방사선은 지구 상층 대기에서 질소-14와 핵 반응을 일으켜 탄소-14를 생성하며, 탄소-14는 반감기 5700년을 가지고 질소-14로 다시 붕괴된다.[2]
2. 2. 질소-15 (15N)
질소-15는 질소의 안정적인 동위 원소 중 하나로, 흔하지 않다. 질소-15는 산소-15의 양전자 방출[9]과 탄소-15의 베타 붕괴를 통해 생성된다. 질소-15는 모든 동위 원소 중에서 가장 낮은 열 중성자 포획 단면적을 가진다.[10]질소-15는 핵자기 공명(NMR, 질소-15 NMR 분광법)에 자주 사용된다. 풍부한 질소-14는 정수 원자핵 스핀을 가지고 사중극자 모멘트를 갖는 반면, 15N은 1/2의 분수 핵 스핀을 가져 더 좁은 선폭과 같은 NMR 상의 이점을 제공한다.
질소-15 추적은 질소 순환 연구에 사용되는 기술이다.
3. 주요 방사성 동위원소
질소-16(16N)은 가압 경수로 또는 비등수형 원자로의 냉각수에서 주로 발견되는 방사성 핵종이다. 16N은 물속의 16O(산소)가 중성자를 흡수하고 양성자를 내보내는 (n,p) 반응을 통해 만들어진다. 16N의 반감기는 약 7.1초로 짧지만, 16O(산소)로 붕괴하면서 높은 에너지(5~7 MeV)의 감마선을 방출한다.[11] 이러한 특성 때문에 가압 경수로의 1차 냉각수 배관 주변은 원자로 작동 중일 때 접근이 제한된다.[11]
3. 1. 질소-13 (13N)
질소-13과 산소-15는 감마선(예: 번개)이 질소-14와 산소-16에서 중성자를 떼어낼 때 대기 중에서 생성된다.[8]:14N + γ → 13N + n
:16O + γ → 15O + n
결과적으로 생성된 질소-13은 반감기 약 10분(9.965분)에 탄소-13으로 붕괴되면서 양전자를 방출한다. 양전자는 전자와 빠르게 소멸하여 약 511keV의 두 감마선을 생성한다. 번개 후, 이 감마선은 10분의 반감기로 감소하지만, 이러한 저에너지 감마선은 평균적으로 공기 중을 약 90m만 이동하므로, 13N과 15O의 "구름"이 바람에 실려 지나갈 때 1분 정도만 감지될 수 있다.[8]
3. 2. 질소-16 (16N)
질소-16(16N)은 가압 경수로 또는 비등수형 원자로가 정상 작동 중일 때 냉각수에서 주로 발견되는 방사성 핵종이다. 16N은 물속의 16O(산소)가 중성자를 흡수하고 양성자를 내보내는 (n,p) 반응을 통해 만들어진다.[11] 16N의 반감기는 약 7.1초로 짧지만, 16O(산소)로 붕괴하면서 높은 에너지(5~7 MeV)의 감마선을 방출한다.[11]이러한 특성 때문에 가압 경수로의 1차 냉각수 배관 주변은 원자로 작동 중일 때 접근이 제한된다.[11] 16N은 1차 냉각 시스템에서 2차 증기 사이클로의 누출 여부를 빠르고 정확하게 알려주는 지표이며, 누출 감지의 주요 수단으로 활용된다.[11]
4. 동위 원소 목록
동위 원소
구성비
(몰 분율)
구성비
변동 범위
(몰 분율)