탄소 동위 원소
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1. 개요
탄소 동위 원소는 탄소 원자의 서로 다른 형태를 의미하며, 원자핵 내 중성자 수의 차이로 인해 질량이 다르다. 탄소에는 세 가지 자연 동위 원소인 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14가 존재하며, 탄소-12는 가장 풍부한 안정 동위 원소로 원자 질량의 기준이 된다. 탄소-13은 핵자기 공명 실험에 사용되며, 탄소-14는 방사성 동위 원소로 방사성 탄소 연대 측정법에 활용된다. 탄소 동위 원소는 해양 순환 및 고기후 연구, 식품 및 식이 연구 등 다양한 분야에서 활용된다.
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- 탄소 동위 원소 - 탄소-14
탄소-14는 5,730±40년의 반감기를 가진 탄소의 방사성 동위원소로, 우주선과 질소의 핵반응으로 생성되어 베타 붕괴를 통해 질소-14로 변환되며, 방사성 탄소 연대 측정법에 활용되어 고고학, 지구과학 등 여러 분야에서 연대 측정에 중요한 역할을 한다. - 탄소 동위 원소 - 탄소-12
탄소-12는 6개의 양성자와 6개의 중성자로 이루어진 탄소 동위원소로, 원자 질량 단위의 기준이자 몰 정의에 중요한 역할을 했으며, 방사성 탄소 연대 측정과 핵융합 과정의 호일 상태에도 활용된다. - 동위 원소 - 안정 동위 원소
안정 동위원소는 붕괴가 관찰되지 않은 254개의 핵종으로, 자연에 약 251개가 존재하며 우주적 과정을 이해하는 데 중요한 정보를 제공한다. - 동위 원소 - 핵종
핵종은 특정 양성자 및 중성자 수를 가진 원자핵을 갖는 원자 종류로, 핵적 성질을 강조하며, 양성자 및 중성자 수 조합에 따라 동위원소, 동중원소 등으로 분류되고, 자연계에 약 300종이 존재하며 방사성 붕괴를 통해 변환되기도 한다. - 탄소 - 방사성 탄소 연대 측정
방사성 탄소 연대 측정은 윌러드 리비가 1949년에 발견한 유기 물질 연대 측정 방법으로, 탄소-14의 방사성 붕괴를 이용하여 최대 6만 년까지의 연대를 측정하며, 고고학 유물 연대 측정에 주로 사용된다. - 탄소 - 기후변화 완화
기후변화 완화는 온실가스 배출 감축과 흡수원 증진을 통해 지구 온난화를 억제하고, 지속 가능한 에너지 전환, 효율 향상, 농업 및 산업 정책, 탄소 흡수원 강화, 이산화탄소 제거 기술 개발 등 다양한 조치로 지구 온도 상승을 제한하는 노력이다.
2. 탄소 동위 원소
탄소는 원자번호 6번의 화학 원소로, 다양한 동위원소를 가진다. 동위원소는 원자핵 안의 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소들을 말한다. 탄소의 동위원소는 질량수 8에서 22까지 알려져 있으며, 이 중 12C와 13C는 안정 동위 원소이고, 나머지는 방사성 동위 원소이다.
탄소 동위원소의 특징은 다음과 같이 표로 나타낼 수 있다.
- # 표시: 순수 실험값이 아닌 추정치를 포함한다.
- 괄호 안의 숫자: 값의 오차를 나타낸다.
12C와 13C는 안정 동위 원소로, 자연에 존재하는 탄소의 대부분을 차지한다. 14C는 자연에 미량 존재하며, 방사성 탄소 연대 측정에 사용된다. 그 외의 동위 원소들은 인공적으로 만들어지며, 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다.
2. 1. 안정 동위 원소
탄소는 자연적으로 발생하는 세 가지 동위원소를 가지고 있다. 이 중 12C와 13C는 안정 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 비율은 각각 98.93%와 1.07%이다. 14C는 방사성 동위 원소이지만, 자연계에 미량 존재한다.
2. 1. 1. 탄소-12 (¹²C)
탄소-12는 안정 동위 원소로 탄소 동위 원소 중 98.9%를 차지한다. 1961년 원자 질량 단위가 채택된 이래 원자 질량의 기준으로 사용되고 있으며, 이 정의에 따라 탄소-12의 원자 질량은 정확히 12가 된다. 이전까지는 산소를 원자 질량의 기준으로 삼았으나, 화학자들은 산소 동위 원소의 비율을 고려한 단위를, 물리학자들은 산소-16만을 기준으로 한 단위를 사용하여 미세한 오차가 발생하였기 때문에 통일된 것이다.[28]2. 1. 2. 탄소-13 (¹³C)
탄소-13은 탄소의 안정 동위 원소 중 하나로, 전체 탄소의 약 1.1%를 차지한다. 핵 스핀이 1/2-이므로 NMR 실험에 사용되어 유기 화합물의 구조를 파악하는 데 쓰인다. 탄소-12(12C)와 함께 안정적인 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 탄소-13과 탄소-12의 비율은 약 93:1이다.[1]
2. 2. 방사성 동위 원소
탄소는 안정한 동위 원소 외에도 여러 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이들은 자연 상태에서는 극히 드물게 발견되거나 인공적으로 만들어진다.- 핵 스핀: # 표시는 실험 데이터가 아닌 경향에서 유도된 추정치이다.
- 오차: 괄호 안의 숫자는 값의 오차를 나타낸다.
12C와 13C은 안정 동위 원소이며, 자연계에 존재하는 탄소의 대부분을 차지한다. 그 외의 탄소 동위 원소들은 모두 방사성 동위 원소이며, 이 중 자연에 존재하는 것은 14C뿐이다. 14C는 우주선에 의해 대기 상층부에서 만들어지며, 반감기는 약 5700년이다. 14C는 방사성 탄소 연대 측정에 사용된다.11C과 그 외의 동위 원소들은 인공적으로 만들어지며, 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다.
2. 2. 1. 탄소-11 (¹¹C)
'''탄소-11'''은 탄소의 방사성 동위원소로, 붕소-11로 붕괴한다. 이 붕괴는 주로 양전자 방출에 의해 일어나지만, 약 0.19~0.23%는 전자 포획에 의해 일어난다.[14][15] 반감기는 20.3402분이다.핵반응식은 다음과 같다.
: → + + + 0.96 MeV
: + → + + 1.98 MeV
탄소-11은 사이클로트론에서 약 16.5 MeV의 양성자를 질소에 충돌시켜 생성할 수 있다. 이는 흡열 반응이다.[16][17]
: + → + − 2.92 MeV
또한 고에너지 를 표적에 발사하여 의 파편화를 통해 생성될 수 있다.[18]
탄소-11은 양전자 방출 단층 촬영(PET)에서 분자의 방사성 표지에 일반적으로 사용되는 방사성 동위원소이다. 이러한 맥락에서 사용되는 많은 분자들 중에는 방사성 리간드인 DASB와 25I-NBOMe가 있다.
2. 2. 2. 탄소-14 (¹⁴C)
탄소-14는 '방사성 탄소'라고도 하며, 약 5730년의 반감기를 거쳐 β- 붕괴하여 14N가 된다.[29] 1936년에 처음으로 그 존재가 관찰되었으며, 자연에는 극미량(전체 탄소의 약 1조 분의 1) 존재한다. 탄소-14는 지상 9km에서 우주선에 의해 생성되는 중성자가 질소-14와 반응하여 생성되며, 그 양은 일정하게 유지되나, 대기권에서 행해지는 핵실험에 의해 변동될 수 있다. 유기물 시료 속에 존재하는 다른 탄소 동위 원소와의 비율을 조사하여 방사성 탄소 연대 측정법에 이용되며, 대략 5만 년까지의 연대를 측정할 수 있다.3. 탄소 동위 원소의 활용
탄소-12(12C)와 탄소-13(13C)는 동위원소 비율 (δ13C)로 측정되며, 저서성 유공충에서 대리 변수로 사용되어 영양염 순환과 온도 의존적인 대기-해양 간 CO2 교환(환기)을 나타낸다.[19] 식물은 햇빛과 이산화탄소를 이용하여 양분을 만들 때 가벼운 동위원소(12C)를 더 쉽게 사용한다. 차가운 물이 심해에서 상승하는 곳(예: 북대서양)에서는 물이 12C를 함께 끌어올린다. 과거 기후의 다른 지표로는 열대 종의 존재와 산호의 성장 고리 등이 있다.[20]
광합성 과정에서 식물은 이산화탄소의 안정 탄소 동위원소를 차별적으로 이용한다. 온대 기후의 풀(보리, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 해바라기, 감자, 토마토, 땅콩, 목화, 사탕무, 대부분의 나무와 그 열매 또는 과일, 장미, 켄터키 블루그래스 등)은 C3 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -26.5‰이다.[23] 더운 건조 기후의 풀(특히 옥수수, 그리고 수수, 수수, 사탕수수, 민들레 등)은 C4 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -12.5‰이다.[23]
이러한 식물의 차이는 소비자의 신체 조직 내 δ13C 값에 영향을 준다. 이 값을 바탕으로 수수와 옥수수를 먹는 사람과 쌀과 밀을 먹는 사람을 쉽게 구분할 수 있다. 시간에 따른 식단 선호도의 지리적 분포를 연구하면 사람들의 이동 경로와 농작물 확산 경로를 파악할 수 있다. 그러나 인간 집단은 C3와 C4 식물을 혼합하거나, 식물과 동물을 함께 섭취하기도 한다. 예를 들어, 중국 북부 사람들은 역사적으로 밀과 수수를, 중국 남동부 사람들은 쌀과 생선을 주식으로 삼았다.[25]
탄소는 원자번호 6번으로, 안정 동위 원소인 탄소-12(12C)와 탄소-13(13C), 방사성 동위 원소인 탄소-14(14C) 외에도 여러 방사성 동위 원소를 가진다.
탄소의 방사성 동위 원소들은 매우 짧은 반감기를 가지며, 다양한 붕괴 방식을 통해 다른 원소로 변환된다.
- 탄소-8(8C): 양성자 2개 방출(2p) → 6Be
- 탄소-9(9C): β+ 붕괴(60%), β+, p 붕괴(23%), β+, α 붕괴(17%)
- 탄소-10(10C): β+ 붕괴 → '''10B'''
- 탄소-11(11C): β+ 붕괴(99.79%), K-포획(0.21%) → '''11B'''
- 탄소-15(15C): β− 붕괴 → '''15N'''
- 탄소-16(16C): β−, n 붕괴(97.9%), β− 붕괴(2.1%)
- 탄소-17(17C): β− 붕괴(71.59%), β−, n 붕괴(28.41%)
- 탄소-18(18C): β− 붕괴(68.5%), β−, n 붕괴(31.5%)
- 탄소-19(19C): β−, n 붕괴(47.0%), β− 붕괴(46.0%), β−, 2n 붕괴(7%)
- 탄소-20(20C): β−, n 붕괴(72.0%), β− 붕괴(28.0%)
- 탄소-21(21C): 중성자(n) 방출 → 20C
- 탄소-22(22C): β-,n 붕괴 → 21N
이러한 특성 때문에 핵물리학 연구에 활용된다.
3. 1. 고기후 연구
12C와 13C는 동위원소 비율 δ13C로 측정되며, 저서성 유공충에서 대리 변수로 사용되어 영양염 순환과 온도 의존적인 대기-해양 간 CO2 교환(환기)을 나타낸다.[19] 식물은 햇빛과 이산화탄소를 이용하여 양분을 만들 때 가벼운 동위원소(12C)를 더 쉽게 사용한다. 예를 들어, 대량의 플랑크톤(부유 생물)이 해양에서 많은 양의 12C를 흡수한다. 원래 12C는 대부분 대기에서 해수로 유입되었다. 플랑크톤이 서식하는 해양이 성층화되어 있다면(즉, 표면 근처에는 따뜻한 물이, 더 깊은 곳에는 차가운 물이 있는 층이 존재한다면), 표층수는 심층수와 잘 섞이지 않아 플랑크톤이 죽으면 가라앉아 표층에서 12C를 제거하고 표층은 상대적으로 13C가 풍부해진다. 차가운 물이 심해에서 상승하는 곳(예: 북대서양)에서는 물이 12C를 함께 상승시킨다. 해양이 현재보다 성층화가 덜 되었을 때는 표층 서식 종의 골격에 12C가 훨씬 더 많았다. 과거 기후의 다른 지표로는 열대 종의 존재와 산호의 성장 고리 등이 있다.[20]3. 2. 식품 및 식이 연구
광합성 과정에서 식물은 이산화탄소의 안정 탄소 동위원소를 차별적으로 이용한다. 온대 기후의 풀(보리, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 해바라기, 감자, 토마토, 땅콩, 목화, 사탕무, 대부분의 나무와 그 열매 또는 과일, 장미, 켄터키 블루그래스 등)은 C3 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -26.5‰이다.[23] 더운 건조 기후의 풀(특히 옥수수, 그리고 수수, 수수, 사탕수수, 민들레 등)은 C4 광합성 경로를 따라 δ13C 값이 평균 약 -12.5‰이다.[23]이러한 식물의 차이는 소비자의 신체 조직 내 δ13C 값에 영향을 준다. C3 식물만 섭취하는 동물(또는 인간)의 뼈 콜라겐 δ13C 값은 -18.5~-22.0‰, 치아와 뼈의 하이드록시아파타이트는 -14.5‰이다.[24] 반면, C4 식물을 먹는 동물은 뼈 콜라겐 값이 -7.5‰, 하이드록시아파타이트 값이 -0.5‰이다.
이러한 값을 바탕으로 수수와 옥수수를 먹는 사람과 쌀과 밀을 먹는 사람을 쉽게 구분할 수 있다. 시간에 따른 식단 선호도의 지리적 분포를 연구하면 사람들의 이동 경로와 농작물 확산 경로를 파악할 수 있다. 그러나 인간 집단은 C3와 C4 식물을 혼합하거나, 식물과 동물을 함께 섭취하기도 한다. 예를 들어, 중국 북부 사람들은 역사적으로 밀과 수수를, 중국 남동부 사람들은 쌀과 생선을 주식으로 삼았다.[25]
3. 3. 기타 동위 원소
핵종동위 원소
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