질소 동위 원소

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.

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. 질소-14는 양성자와 중성자 수가 모두 홀수인(각각 7개) 안정 동위 원소 중 하나이며, 해당 원소의 대부분을 차지하는 유일한 동위 원소이다. 각 양성자 또는 중성자는 핵 스핀 ±스핀 1/2을 기여하여, 핵은 총 자기 스핀 1을 갖는다.

우주에서 질소-14의 기원은 항성 핵합성으로 여겨지며, CNO 순환의 일부로 생성된다.

질소-14는 자연 발생 방사성 탄소-14의 근원이다. 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. 질소-15 (¹⁵N)

질소-15는 질소의 안정적인 동위 원소 중 하나로, 흔하지 않다. 질소-15는 산소-15의 양전자 방출과 탄소-15의 베타 붕괴를 통해 생성된다. 질소-15는 모든 동위 원소 중에서 가장 낮은 열 중성자 포획 단면적을 가진다.

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. 이러한 특성 때문에 가압 경수로의 1차 냉각수 배관 주변은 원자로 작동 중일 때 접근이 제한된다.

3.1. 질소-13 (¹³N)

질소-13과 산소-15는 감마선(예: 번개)이 질소-14와 산소-16에서 중성자를 떼어낼 때 대기 중에서 생성된다.

: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.

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. ¹⁶N의 반감기는 약 7.1초로 짧지만, ¹⁶O(산소)로 붕괴하면서 높은 에너지(5~7 MeV)의 감마선을 방출한다.

이러한 특성 때문에 가압 경수로의 1차 냉각수 배관 주변은 원자로 작동 중일 때 접근이 제한된다. ¹⁶N은 1차 냉각 시스템에서 2차 증기 사이클로의 누출 여부를 빠르고 정확하게 알려주는 지표이며, 누출 감지의 주요 수단으로 활용된다.

4. 동위 원소 목록

4.1. 질소-9 (⁹N)

질소-9는 양성자 7개와 중성자 2개로 구성된 질소의 동위 원소이다. 수명이 매우 짧으며, 1as(아토초) 미만이다. 질소-9는 5중 양성자 방출을 통해 붕괴하여 탄소-8이 되며, 탄소-8은 다시 2개의 양성자를 방출하여 베릴륨-6을 형성하고, 베릴륨-6 또한 2개의 양성자를 방출하여 안정한 헬륨-4를 생성한다.

4.2. 질소-10 (¹⁰N)

¹⁰N^영어는 양성자 7개와 중성자 3개로 구성된 질소의 동위 원소이다. 질량은 이며, 반감기는 이다. 양성자 방출(p)로 붕괴하여 ⁹C^영어로 붕괴할 것으로 예상된다. 핵 스핀은 1−, 2−이다.

4.3. 질소-11 (¹¹N)

질소-11(¹¹N)은 양성자 7개와 중성자 4개로 구성된 질소의 동위 원소이다. 반감기는 이며, 양성자 방출을 통해 탄소-10(¹⁰C)으로 붕괴한다. 핵 스핀은 1/2+이다.

여기 상태(Excited state)인 질소-11m(^11mN)은 질소-11(¹¹N)보다 높은 에너지를 가지며, 반감기는 이다. 핵 스핀은 1/2-이다.

4.4. 질소-11m (^11mN)

Nitrogen^영어-11m은 들뜬 상태의 질소-11 핵종이다. Nitrogen^영어-11과 마찬가지로 양성자를 방출하여 Carbon^영어-10으로 붕괴한다. 질소-11m의 반감기는 690(80)ys이며, 핵 스핀은 1/2-이다.

4.5. 질소-12 (¹²N)

질소-12(¹²N)는 원자핵에 양성자 7개와 중성자 5개를 포함하고 있다. 질량은 u이며 반감기는 이다.

질소-12는 98.07(4)%의 확률로 β⁺ 붕괴하여 안정한 ¹²C가 되고, 1.93(4)%의 확률로 β⁺ 붕괴와 알파 입자 방출을 통해 ⁸Be이 된다. 핵 스핀은 1+이다.

4.6. 질소-17 (¹⁷N)

Nitrogen^영어-17은 원자핵 안에 양성자 7개와 중성자 10개를 가지고 있는 질소의 방사성 동위 원소이다. 반감기는 4.173초이며, 95.1%의 확률로 β⁻n 붕괴를 통해 ¹⁶O으로, 4.9%의 확률로 β⁻ 붕괴하여 ¹⁷O로, 0.0025%의 확률로 β⁻α 붕괴하여 ¹³C으로 붕괴한다. 핵 스핀은 1/2-이다.

4.7. 질소-18 (¹⁸N)

¹⁸N은 질소의 동위 원소 중 하나로, 양성자 7개와 중성자 11개로 구성되어 있다. 질량은 18.014078(20) u이며, 반감기는 619.2(1.9) ms이다.

¹⁸N은 다음과 같은 붕괴 방식을 통해 붕괴한다.
* 80.8(1.6)%의 확률로 β^- 붕괴하여 ¹⁸O가 된다.
* 12.2(6)%의 확률로 β^- 붕괴와 α 방출을 함께 일으켜 ¹⁴C가 된다.
* 7.0(1.5)%의 확률로 β^- 붕괴와 중성자 방출을 함께 일으켜 ¹⁷O가 된다.
* β^- 붕괴와 2개의 중성자 방출(β^-2n)을 함께 일으켜 ¹⁶O가 될 수도 있다.

4.8. 질소-19 (¹⁹N)

는 중성자 12개와 양성자 7개를 가지고 있으며, 반감기는 이다. 58.2(9)%의 확률로 β⁻ 붕괴하여 가 되거나, 41.8(9)%의 확률로 β⁻n 붕괴하여 안정한 이 된다. 핵 스핀은 1/2-이다.

4.9. 질소-20 (²⁰N)

²⁰N은 질소의 방사성 동위 원소로, 7개의 양성자와 13개의 중성자로 구성되어 있다. 질량은 u이며, 반감기는 이다. ²⁰N은 확률로 β⁻ 붕괴하여 ²⁰O이 되거나, 확률로 β⁻n 붕괴하여 ¹⁹O이 된다. β⁻2n 붕괴를 할 가능성도 있다.

4.10. 질소-21 (²¹N)

질소-21(²¹N)은 양성자 7개와 중성자 14개로 구성된 질소의 동위 원소이다. 질소-21의 질량은 u이며, 의 반감기를 가진다. 질소-21은 확률로 β⁻n 붕괴를 통해 이 되거나, 확률로 β⁻ 붕괴하여 이 된다. 또한, β⁻2n 붕괴를 통해 가 될 수도 있다. 핵 스핀은 (1/2−)이다.

4.11. 질소-22 (²²N)

질소-22(²²N)는 양성자 7개와 중성자 15개로 구성된 질소의 방사성 동위 원소이다. 질소-22의 질량은 u이며, 반감기는 이다.

질소-22는 다음과 같은 붕괴 방식을 따른다.

* 의 확률로 β⁻ 붕괴하여 ²²O가 된다.
* 의 확률로 β⁻n 붕괴하여 ²¹O가 된다.
* 의 확률로 β⁻2n 붕괴하여 ²⁰O가 된다.

4.12. 질소-23 (²³N)

²³N은 중성자 16개를 포함하는 질소 동위 원소이다. 질량은 u이고, 반감기는 이다.

²³N의 붕괴 방식은 다음과 같다.

* 이상의 확률로 β⁻ 붕괴하여 ²³O이 된다.
* 의 확률로 β⁻n 붕괴하여 ²²O가 된다.
* 의 확률로 β⁻2n 붕괴하여 ²¹O이 된다.
* 미만의 확률로 β⁻3n 붕괴하여 ²⁰O이 된다.

핵 스핀은 1/2−#으로 추정된다.

4.13. 질소-24 (²⁴N)

질소-24(²⁴N)는 원자핵 안에 양성자 7개와 중성자 17개를 포함하고 있는 질소의 동위 원소이다. 질소-24의 동위체 질량은 24.05104 u이며, 반감기는 52나노초 미만이다.

4.14. 질소-25 (²⁵N)

²⁵N^영어는 양성자 7개와 중성자 18개로 구성된 질소의 동위 원소이다. 반감기는 260나노초 미만이며, 핵 스핀수는 1/2-#이다. ²⁵N^영어의 동위체 질량은 25.06066(54)# u이다.