핵종

1. 개요

핵종은 원자핵 내 양성자와 중성자 수를 특정하여 구분하는 원자 종류를 의미하며, 핵적 성질을 강조하는 개념이다. 핵종은 동위원소, 동중 원소, 동중성자체, 동여체, 거울핵, 핵이성체 등으로 분류된다. 핵종의 안정성은 양성자-중성자 비율, 홀짝성에 따라 달라지며, 자연계에는 안정 핵종과 방사성 핵종이 존재한다. 방사성 핵종은 자연적으로 생성되거나 인공적으로 생산될 수 있으며, 핵실험이나 원자로에서 생성 가능한 핵종은 2000종 이상으로 알려져 있다.

2. 핵종과 동위 원소

핵종은 원자핵 내에 특정한 수의 양성자와 중성자를 가진 원자의 종류를 말하며, 예를 들어 6개의 양성자와 7개의 중성자를 가진 탄소-13이 있다. 핵종 개념(개별 핵종을 지칭)은 화학적 성질보다 핵적 성질을 강조하는 반면, 동위원소 개념(각 원소의 모든 원자를 그룹화)은 핵적 성질보다 화학적 성질을 강조한다. 중성자 수는 핵적 성질에 큰 영향을 미치지만, 대부분의 원소에서 화학 반응에 미치는 영향은 무시할 수 있다.

동위원소 간에 중성자 수와 원자 번호의 비율이 가장 크게 변하는 매우 가벼운 원소의 경우에도, 일반적으로 영향이 작지만, 어떤 상황에서는 중요하다. 가장 가벼운 원소인 수소의 경우, 동위원소 효과는 생물학적 시스템에 강하게 영향을 미칠 정도로 크다. 헬륨의 경우, 헬륨-4는 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 반면, 헬륨-3는 페르미-디랙 통계를 따른다.

"동위원소"라는 용어는 "핵종"보다 더 잘 알려져 있으며, 핵기술 및 핵의학과 같이 "핵종"이 더 적합할 수 있는 맥락에서도 여전히 가끔 사용된다. 역사적으로 동위원소라는 용어는 핵종과 같은 의미로 사용되는 경우가 있지만, 동위원소라는 용어는 두 종류의 핵종 간의 상호 관계를 나타내는 데 사용되어야 한다.

같은 화학 원소이지만 다른 중성자 수를 갖는 핵종들의 집합을 그 원소의 동위원소라고 한다. 특정 핵종들은 여전히 "동위원소"라고 불리지만, 일반적으로 "핵종"이라는 용어가 정확하다.

2.1. 핵종의 표기

핵종(nuclide)은 원자핵 안의 양성자 수와 중성자 수에 따라 구분되는 원자의 종류를 말한다. 핵종을 표기할 때는 원소의 화학 기호 왼쪽에 원자 번호를 아래 첨자로, 질량수를 위 첨자로 붙인다. 예를 들어 수소(원자 번호 1)의 동위 원소이며 질량수가 2인 중수소는 다음과 같이 표기한다.

:$\_1^2\backslash mathbf\{H\}$

원자번호와 원소 기호는 같은 정보를 나타내므로, 원자 번호를 생략하고 질량수만 붙여 $\{\}^\{2\}\backslash !\backslash mathbf\{H\}$ 로 표기하기도 한다. 중성자 수는 질량수와 원자번호의 차이로 구할 수 있지만, 명시적으로 나타낼 경우 오른쪽 아래에 붙여 $\{\}\_1^\{2\}\backslash !\backslash mathbf\{H\}\_1$ 과 같이 표기하기도 한다.

한국어에서는 핵종을 나타낼 때 원소 이름 뒤에 질량수를 붙여서 '수소-2', '산소-16', '탄소-12' 등과 같이 표시한다. 영어에서는 원소 이름 뒤에 하이픈(-)을 넣어 질량수를 붙여 'Helium-4'와 같이 표시한다.

; 원자핵의 에너지 준위 표기법

원자핵은 여러 에너지 준위를 가질 수 있다. 불안정한 상태에서는 짧은 반감기를 가지며 감마 붕괴를 하지만, 드물게 반감기가 긴 준안정 상태도 존재한다. 이러한 에너지 상태가 다른 안정 또는 준안정 상태를 핵이성체라고 하며, 이들은 서로 다른 핵종으로 구별된다.

반감기가 짧은 핵종은 일반적으로 그대로 표기하지만, 수명이 긴 핵이성체는 'metastable'(준안정 상태)의 약자인 "m"을 질량수 뒤에 붙여 표기한다. 예를 들어 테크네튬-99m은 $\{\}\_\{43\}^\{99\backslash mathrm\{m\}\}\backslash mathrm\{Tc\}\_\{56\}$과 같이 표기한다. 핵이성체가 3개 이상인 경우에는 수명이 짧은 것부터 m1, m2, m3을 붙인다.

2.2. 핵종의 분류

3. 핵종의 안정성

핵종의 안정성은 핵을 구성하는 양성자와 중성자의 수와 비율, 그리고 이들의 짝수-홀수 여부에 따라 결정된다. 안정적인 핵종은 방사성 붕괴를 일으키지 않고 영구히 존재할 수 있다.

1시간 이상의 반감기를 갖는 905개의 핵종에 대한 요약은 핵종 목록에서 찾을 수 있다. 이 수치는 정확하지 않으며, 일부 "안정된" 핵종이 매우 긴 반감기를 갖는 방사성으로 관찰될 경우 향후 약간 변경될 수 있다.

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📌 열 고정 해제

안정성 등급	핵종 수	누적 합계	누적 합계에 대한 주석
이론적으로 양성자 붕괴를 제외하고는 안정됨	90	90	처음 40개 원소 포함. 양성자 붕괴는 아직 관측되지 않았음.
에너지적으로 하나 이상의 알려진 붕괴 모드에 불안정하지만 아직 붕괴가 관측되지 않음. 니오븀-93부터 "안정된" 핵종에 대해서는 자발 핵분열이 가능하며, 더 무거운 핵종에 대해서는 다른 메커니즘이 가능함. 붕괴가 감지될 때까지 모두 "안정된" 것으로 간주됨.	161	251	고전적인 안정 핵종의 합계.
방사성 원시 핵종	35	286	원시 원소의 총합에는 비스무트, 토륨, 우라늄과 모든 안정 핵종이 포함됨.
방사성 (반감기 > 1시간). 대부분 유용한 방사성 추적자 포함.	619	905	탄소-14(및 우주선에 의해 생성된 다른 우주선 생성 핵종) ; 프랑슘 등과 같은 방사성 원시 핵종의 딸핵종 및 우주선 이외의 자연 핵반응에서 나오는 핵생성 핵종(예: 자발적인 핵분열 또는 중성자 방출에서 중성자 흡수). 또한 많은 합성 핵종 포함.
방사성 합성 (반감기 < 1시간).	2400개 초과	3300개 초과	잘 특징 지어진 모든 합성 핵종 포함.

자연계에는 약 300종의 핵종이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 그중 약 270종은 방사능을 가지지 않는 안정된 핵종이고 나머지 약 30종이 방사성핵종이다. 방사성핵종의 붕괴 생성물은 방사성 생성 핵종이라고 불린다.

천연 방사성핵종은 세 가지 종류로 나뉜다.
* 첫째, 반감기(T_1/2)가 적어도 지구의 나이(약 46억 년)의 10%에 달하는 것들이다. 이들은 태양계 형성 이전의 항성에서 발생한 핵합성의 잔재이다. 예를 들어, 우라늄 238(T_1/2=4.5×10⁹ y), 우라늄 235(T_1/2=0.7×10⁹ y) 등이 천연적으로 존재하지만, 우라늄 235는 우라늄 238에 비해 138배나 희귀하다.
* 둘째, 라듐 226(T_1/2=1602 y) 등과 같이 첫 번째 그룹의 방사성 붕괴 연쇄에 의해 형성되는 것들이다.
* 셋째, 탄소-14와 같이 다른 핵종으로부터 우주선에 의한 핵파쇄에 의해 생성되는 핵종들이다.

핵실험이나 원자로 등에서 인공적으로 생성 가능한 핵종은 2000종 이상 알려져 있으며, 이론적으로 존재가 예상되는 것을 포함하면 그 수는 약 6000종에 이른다.

3.1. 양성자-중성자 비율

원자핵은 잔류 강력에 의해 결합된 양성자와 중성자로 구성된다. 양성자는 양전하를 띠어 서로 밀어내는 반면, 중성자는 전하를 띠지 않아 핵을 안정화시키는 역할을 한다. 중성자는 양성자 사이의 거리를 늘려 정전기적 반발력을 줄이고, 핵력을 통해 양성자와 서로를 끌어당긴다. 따라서 두 개 이상의 양성자가 핵 안에 결합하려면 하나 이상의 중성자가 필요하다.

안정한 핵을 유지하기 위해 필요한 중성자와 양성자의 비율은 양성자의 수가 증가함에 따라 함께 증가한다. 예를 들어, 의 중성자-양성자 비율은 1:2이지만, 의 경우 3:2보다 크다. 가벼운 원소들은 1:1 ()의 비율을 갖는 안정한 핵종을 많이 가지고 있다. (칼슘-40)은 관측상 중성자와 양성자의 수가 같은 가장 무거운 안정된 핵종이며, 이보다 무거운 안정된 핵종들은 모두 양성자보다 중성자가 더 많다.

3.2. 홀짝성

양성자-중성자 비율만이 핵 안정성에 영향을 주는 유일한 요소는 아니다. 원자 번호 Z, 중성자 수 N, 그리고 이 둘의 합인 질량수 A의 홀짝 짝수성 또한 핵 안정성에 영향을 준다. Z와 N이 모두 홀수이면 핵 결합 에너지가 낮아지는 경향이 있어, 홀수 핵종은 일반적으로 덜 안정적이다. 특히 홀수-A 동중원소의 이웃 핵종 간 핵 결합 에너지 차이는 중요한 결과를 가져온다. 중성자 또는 양성자 수가 최적이 아닌 불안정한 동위원소는 베타 붕괴(양전자 붕괴 포함), 전자 포획 또는 자발 핵분열 및 클러스터 붕괴와 같은 붕괴를 통해 안정화된다.

대부분의 안정 핵종은 양성자와 중성자가 모두 짝수인 짝수-양성자-짝수-중성자 핵종이다. 홀수-A 안정 핵종은 홀수-양성자-짝수-중성자 핵종과 짝수-양성자-홀수-중성자 핵종으로 거의 균등하게 나뉜다. 홀수-양성자-홀수-중성자 핵종(및 핵)은 가장 드물다.

4. 방사성 핵종

방사능을 띠는 핵종을 방사성 핵종이라고 한다. 방사성 핵종의 붕괴 생성물은 방사성 생성 핵종이라고 불린다. 자연계에는 약 300종의 핵종이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 그중 약 270종은 방사능을 가지지 않는 안정된 핵종이고 나머지 약 30종이 방사성 핵종이다.

방사성 핵종은 자연적으로 발생하거나 인공적으로 생성될 수 있다. 방사성 핵종의 기원 및 인공 방사성 핵종에 대해서는 하위 문단을 참고하라.

알려진 핵종은 핵종표에 나와 있다. 원시 핵종 목록은 원소별로 정렬되어 동위원소 안정성에 따른 원소 목록에 제시되어 있으며, 반감기가 1시간 이상인 905개의 핵종에 대해서는 핵종 목록이 반감기별로 정렬되어 있다.

4.1. 방사성 핵종의 기원

자연 방사성 핵종은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

첫째, 반감기(t_1/2)가 지구 나이의 2% 이상인 핵종이다. 이들은 태양계 형성 이전에 별에서 일어난 핵합성의 잔재이다. 예를 들어, 우라늄의 동위원소 우라늄-238은 자연계에 많이 존재하지만, 반감기가 더 짧은 우라늄-235는 138배 더 드물다. 이러한 핵종은 약 34종이 발견되었다.

둘째, 방사성 붕괴에 의해 생성되는 방사성 핵종이다. 예를 들어 라듐-226과 같은 핵종은 우라늄이나 토륨의 원시 동위원소 붕괴 사슬에서 발견된다. 프랑슘 동위원소처럼 반감기가 매우 짧은 핵종도 있다. 원시 핵종으로 존재하기에는 반감기가 너무 짧지만, 장수명 방사성 원시 핵종의 붕괴로 인해 자연계에 존재하는 이러한 딸 핵종은 약 51종이 존재한다.

셋째, 자연 핵반응을 통해 지속적으로 생성되는 핵종이다. 이는 원자가 자연 중성자(우주선, 자발 핵분열 등)와 반응하거나 우주선에 직접 충돌할 때 발생한다. 원시 핵종이 아닌 경우 우주선 생성 핵종이라고 한다. 다른 유형의 자연 핵반응은 핵 생성 핵종을 만든다.

핵반응으로 생성된 핵종의 예로는 방사성 탄소(탄소-14)와 플루토늄-239가 있다. 우주선 생성 핵종은 안정적이거나 방사성일 수 있다. 안정적인 경우, 모든 안정적인 핵종이 원시적으로 지구에 존재하기 때문에 그 존재를 추론해야 한다.

4.2. 인공 방사성 핵종

자연적으로 발생하는 핵종 외에도, 3000개가 넘는 다양한 반감기를 가진 방사성핵종이 인공적으로 생성 및 특성 분석되었다. 핵실험이나 원자로 등에서 인공적으로 생성 가능한 핵종은 2000종 이상 알려져 있으며, 이론적으로 존재가 예상되는 것을 포함하면 그 수는 약 6000종에 이른다.