납 동위 원소
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1. 개요
납은 4개의 안정 동위 원소와 다수의 방사성 동위 원소를 갖는 원소이다. 지구상에 존재하는 납 동위 원소는 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb이며, 이들은 관측상 안정하지만 매우 긴 반감기를 가질 가능성도 있다. 204Pb는 원시 핵종으로 다른 납 동위 원소의 분율 추정에 사용되며, 206Pb, 207Pb, 208Pb는 방사성 기원으로 암석 연대 측정에 활용된다. 또한, 206Pb, 207Pb, 208Pb는 각각 우라늄-238, 우라늄-235, 토륨-232의 붕괴 연쇄의 최종 생성물로, 납 냉각 고속로에 대한 연구에도 사용된다.
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납 동위 원소 | |
---|---|
납 동위 원소 정보 | |
일반 정보 | |
원소 기호 | Pb |
양성자 수 | 82 |
동위 원소 | |
동위 원소 표 | ref_table: true |
핵종 데이터 참조 | ref_nubase2020: true |
동위 원소 종류 | isotopes: true |
주석 | 동위 원소 존재비는 시료에 따라 크게 다름 |
안정 동위 원소 | |
핵종 | 204Pb |
존재비 | 1.4% |
안정성 | 안정적 |
핵종 | 206Pb |
존재비 | 24.1% |
안정성 | 안정적 |
핵종 | 207Pb |
존재비 | 22.1% |
안정성 | 안정적 |
핵종 | 208Pb |
존재비 | 52.4% |
안정성 | 안정적 |
방사성 동위 원소 | |
핵종 | 202Pb |
존재비 | 합성 |
반감기 | 5.25×10^4년 |
붕괴 방식 | 전자 포획 |
붕괴 생성물 | 202Tl |
핵종 | 205Pb |
존재비 | 미량 |
반감기 | 1.73×10^7년 |
붕괴 방식 | 전자 포획 |
붕괴 생성물 | 205Tl |
핵종 | 209Pb |
존재비 | 미량 |
반감기 | 3.253시간 |
붕괴 방식 | 베타 붕괴 |
붕괴 생성물 | 209Bi |
핵종 | 210Pb |
존재비 | 미량 |
반감기 | 22.20년 |
붕괴 방식 | 베타 붕괴 |
붕괴 생성물 | 210Bi |
붕괴 방식2 | 알파 붕괴 |
붕괴 생성물2 | 206Hg |
핵종 | 211Pb |
존재비 | 미량 |
반감기 | 36.1분 |
붕괴 방식 | 베타 붕괴 |
붕괴 생성물 | 211Bi |
핵종 | 212Pb |
존재비 | 미량 |
반감기 | 10.64시간 |
붕괴 방식 | 베타 붕괴 |
붕괴 생성물 | 212Bi |
핵종 | 214Pb |
존재비 | 미량 |
반감기 | 26.8분 |
붕괴 방식 | 베타 붕괴 |
붕괴 생성물 | 214Bi |
2. 납 동위 원소
납은 4개의 안정한 동위 원소를 가지고 있으며, 여러 방사성 동위 원소가 존재한다.
일반적으로 지구상에 존재하는 납 동위체는 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb 4가지이며, 이들은 안정 동위체로 여겨진다. 그러나 지구에는 긴 반감기를 가진 우라늄과 토륨이 존재하며, 이들의 붕괴 과정에서 일부 납 동위체가 생성되므로 극미량이지만 다른 동위체도 존재한다.[17]
- 238U (우라늄 계열) → 214Pb (반감기 26분 이상), 210Pb (반감기 22년 이상)
- 235U (악티늄 계열) → 211Pb (반감기 36분 이상)
- 235U (악티늄 계열) → 223Ra (클러스터 붕괴) → 209Pb (반감기 3시간 이상)
- 232Th (토륨 계열) → 212Pb (반감기 10시간 이상)
비스무트 동위 원소 중 209Bi는 오랫동안 안정 핵종으로 여겨졌지만, 실제로는 반감기가 1.9×1019년인 방사성 핵종임이 확인되었다. 이로 인해 비스무트는 안정 핵종을 하나도 가지지 않는 원소임이 밝혀졌다. 이와 마찬가지로, 아직 일반적으로 안정 핵종으로 설명되는 경우가 많은 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb 4가지도, 사실은 모두 긴 수명을 가진 방사성 핵종이 아니냐는 가능성이 제기되고 있다.
- 204Pb는 1.4×1017년 이상의 반감기를 가진 방사성 핵종으로 보이며, 알파 붕괴를 일으켜 200Hg가 되어 안정한다고 생각되어 왔다.
- 206Pb는 우라늄 계열 (라듐 계열)의 최종 생성물이 아니라 중간 생성물이며, 알파 붕괴하여 202Hg가 되어서야 안정하는 것이 아니냐는 지적이 있다.
- 207Pb는 악티늄 계열의 최종 생성물이 아니라 중간 생성물이며, 알파 붕괴하여 203Hg (반감기 약 46일)가 되고, 이것이 베타 붕괴하여 203Tl가 되어서야 안정하는 것이 아니냐는 지적이 있다.
- 208Pb는 토륨 계열의 최종 생성물이 아니라 중간 생성물이며, 2×1019년 이상의 반감기를 가진 방사성 핵종으로 보이며, 알파 붕괴하여 204Hg가 되어서야 안정한다고 생각되어 왔다.
이들이 모두 옳다면, 납도 안정 동위 원소를 하나도 가지지 않는 원소가 되어, 알려진 원소 중에서 가장 양성자 수가 많은 안정적인 원소의 자리를 내주게 된다.
이 외에도 여러 납 동위 원소가 존재하며, 비교적 반감기가 긴 핵종은 다음과 같다.
- 205Pb - 반감기 약 1510만 년, 전자 포획으로 205Tl로 변화.
- 202Pb - 반감기 약 52500년, 주로 전자 포획으로 202Tl로 변화, 1%는 알파 붕괴로 198Hg로 변화.
- 210Pb - 반감기 약 22.6년, 주로 베타 붕괴로 210Bi로 변화, 일부는 알파 붕괴로 206Hg로 변화.
- 203Pb - 반감기 약 51.87시간, 전자 포획으로 203Tl로 변화.
- 200Pb - 반감기 약 21.5시간, 양전자 방출로 200Tl로 변화.
- 212Pb - 반감기 약 10.64시간, 베타 붕괴로 212Bi로 변화.
- 201Pb - 반감기 약 9.33시간, 양전자 방출로 201Tl로 변화.
- 209Pb - 반감기 약 3.25시간, 베타 붕괴로 209Bi로 변화.
- 198Pb - 반감기 약 2.4시간, 양전자 방출로 198Tl로 변화.
- 199Pb - 반감기 약 90분, 양전자 방출로 199Tl로 변화.
나머지 핵종은 모두 반감기가 1시간 이내이다.
악티늄 계열, 우라늄 계열(라듐 계열), 토륨 계열에 속하는 납 동위 원소들은 다음과 같은 별칭으로도 알려져 있다.
- '''라듐 B''' (radium B) - 214Pb|214Pb영어의 별칭. 우라늄 계열(라듐 계열)에 속한다.
- '''라듐 D''' (radium D) - 210Pb|210Pb영어의 별칭. 우라늄 계열(라듐 계열)에 속한다.
- '''라듐 G''' (radium G) - 206Pb|206Pb영어의 별칭. 일반적으로 238U|238U영어의 우라늄 계열(라듐 계열) 붕괴 최종 생성물이다.
- '''악티늄 B''' (actinium B) - 211Pb|211Pb영어의 별칭. 악티늄 계열에 속한다.
- '''악티늄 D''' (actinium D) - 207Pb|207Pb영어의 별칭. 일반적으로 235U|235U영어의 악티늄 계열 붕괴 최종 생성물이다.
- '''토륨 B''' (thorium B) - 212Pb|212Pb영어의 별칭. 토륨 계열에 속한다.
- '''토륨 D''' (thorium D) - 208Pb|208Pb영어의 별칭. 일반적으로 232Th|232Th영어의 토륨 계열 붕괴 최종 생성물이다.
납 동위 원소에는 여러 종류가 있으며, 이들에 대한 정보를 아래의 표에 정리하였다.
2. 1. 지구상에 현존하는 납 동위 원소
현재 지구상에 존재하는 납 동위 원소는 대부분 안정 동위 원소로 여겨지는 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb 네 종류이다.[17] 그러나 지구에는 긴 반감기를 가진 우라늄과 토륨이 존재하며, 이들의 붕괴 과정에서 몇몇 납 동위 원소가 생성되기 때문에 극미량이나마 이 외의 동위 원소도 존재한다.- 238U을 모핵종으로 하는 우라늄 계열에 의해, 214Pb (반감기 26분 이상), 210Pb (반감기 22년 이상)가 계속 생성된다.
- 235U을 모핵종으로 하는 악티늄 계열에 의해, 211Pb (반감기 36분 이상)가 계속 생성된다.
- 악티늄 계열에 의해 생성되는 223Ra은 클러스터 붕괴를 일으켜 209Pb가 될 수 있으므로, 209Pb (반감기 3시간 이상)도 계속 생성된다.
- 232Th을 모핵종으로 하는 토륨 계열에 의해 212Pb (반감기 10시간 이상)가 계속 생성된다.
비스무트 동위 원소 중 209Bi는 오랫동안 안정 핵종으로 여겨졌지만, 실제로는 반감기가 1.9×1019년인 방사성 핵종임이 확인되었다. 이로 인해 비스무트는 안정 핵종을 하나도 가지지 않는 원소임이 밝혀졌다. 이와 마찬가지로, 아직 일반적으로 안정 핵종으로 설명되는 경우가 많은 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb 4가지도, 사실은 모두 긴 수명을 가진 방사성 핵종이 아니냐는 가능성이 제기되고 있다.
- 204Pb는 1.4×1017년 이상의 반감기를 가진 방사성 핵종으로 보이며, 알파 붕괴를 일으켜 200Hg가 되어 안정한다고 생각되어 왔다.
- 206Pb는 우라늄 계열 (라듐 계열)의 최종 생성물이 아니라 중간 생성물이며, 알파 붕괴하여 202Hg가 되어서야 안정하는 것이 아니냐는 지적이 있다.
- 207Pb는 악티늄 계열의 최종 생성물이 아니라 중간 생성물이며, 알파 붕괴하여 203Hg (반감기 약 46일)가 되고, 이것이 베타 붕괴하여 203Tl가 되어서야 안정하는 것이 아니냐는 지적이 있다.
- 208Pb는 토륨 계열의 최종 생성물이 아니라 중간 생성물이며, 2×1019년 이상의 반감기를 가진 방사성 핵종으로 보이며, 알파 붕괴하여 204Hg가 되어서야 안정한다고 생각되어 왔다.
이들이 모두 옳다면, 납도 안정 동위 원소를 하나도 가지지 않는 원소가 되어, 알려진 원소 중에서 가장 양성자 수가 많은 안정적인 원소의 자리를 내주게 된다.
2. 2. 주요 납 동위 원소
납-204(204Pb)는 원시 핵종으로, 다른 납 동위 원소의 원시 핵종 분율을 추정하는 데 사용된다. 이는 다양한 원시 납 동위 원소의 상대적 분율이 모든 곳에서 일정하기 때문이다.[17]납-206(206Pb)는 라듐 계열의 최종 생성물이다. 닫힌 계에서 238U는 206Pb로 붕괴되며, 중간 생성물들은 평형에 도달한다. 206Pb는 '''라듐 G'''로도 불렸으며, 210Po의 알파 붕괴와 206Tl의 베타 붕괴로 생성된다. 납-206은 고속 증식로 원자로 냉각재로 사용될 가능성이 제기되었다.[16]
납-207(207Pb)는 235U에서 나오는 악티늄 계열의 최종 생성물이며, '''악티늄 D'''라고도 불린다.
납-208(208Pb)는 232Th에서 나오는 토륨 계열의 최종 생성물이다. '''토륨 D'''라고도 불리며, 지구상 납의 약 절반을 차지하고 토륨 광석에서는 최대 90%까지 농축될 수 있다.[18] 208Pb는 가장 무거운 안정 핵종이자 이중 마법 핵으로, 중성자 포획 단면적이 낮아 납 냉각 고속로에 유용하다.[19]
납-210(210Pb)는 우라늄 계열의 중간 생성물로, '''라듐 D'''라고도 불린다. 반감기는 약 22.6년이다.
납-212(212Pb)는 토륨 계열의 중간 생성물로, '''토륨 B'''라고도 불린다. 반감기는 약 10.64시간이며, 실험적인 암 치료에 사용되는 방사성의약품의 재료로 연구되고 있다.[20]
악티늄 계열, 우라늄 계열(라듐 계열), 토륨 계열에 속하는 납 동위 원소들의 별칭은 아래 표와 같다.
동위 원소 | 계열 | 별칭 |
---|---|---|
214Pb | 우라늄 계열(라듐 계열) | 라듐 B |
210Pb | 우라늄 계열(라듐 계열) | 라듐 D |
206Pb | 우라늄 계열(라듐 계열) | 라듐 G |
211Pb | 악티늄 계열 | 악티늄 B |
207Pb | 악티늄 계열 | 악티늄 D |
212Pb | 토륨 계열 | 토륨 B |
208Pb | 토륨 계열 | 토륨 D |
2. 3. 납 동위 원소의 별칭
악티늄, 우라늄, 토륨 붕괴 계열에 속하는 납 동위 원소들은 다음과 같은 별칭으로도 알려져 있다.- '''라듐 B''' (radium B) - 214Pb|214Pb영어의 별칭. 우라늄 계열(라듐 계열)에 속한다.
- '''라듐 D''' (radium D) - 210Pb|210Pb영어의 별칭. 우라늄 계열(라듐 계열)에 속한다.
- '''라듐 G''' (radium G) - 206Pb|206Pb영어의 별칭. 일반적으로 238U|238U영어의 우라늄 계열(라듐 계열) 붕괴 최종 생성물이다.
- '''악티늄 B''' (actinium B) - 211Pb|211Pb영어의 별칭. 악티늄 계열에 속한다.
- '''악티늄 D''' (actinium D) - 207Pb|207Pb영어의 별칭. 일반적으로 235U|235U영어의 악티늄 계열 붕괴 최종 생성물이다.
- '''토륨 B''' (thorium B) - 212Pb|212Pb영어의 별칭. 토륨 계열에 속한다.
- '''토륨 D''' (thorium D) - 208Pb|208Pb영어의 별칭. 일반적으로 232Th|232Th영어의 토륨 계열 붕괴 최종 생성물이다.
2. 4. 납 동위 원소 목록
기호구성비
(몰 분율)
변동 범위
(몰 분율)
β+ (2%)
181Tl
[55(+40-35) ms]
β+ (2%)
182Tl
β+ (6%)
183Tl
β+ (드묾)
183Tl
β+ (드묾)
184Tl
β+ (드묾)
185Tl
β+ (드묾)
185Tl
β+ (44%)
186Tl
α
183Hg
α (2%)
183Hg
α (8.5%)
184Hg
α (0.4%)
185Hg
α (0.9%)
186Hg
α (0.013%)
187Hg
α (0.02%)
187Hg
α (0.0061%)
188Hg
α (7.3×10−6%)
190Hg
α (3×10−5%)
192Hg
IT (19%)
α (3×10−4%)
197Pb
193Hg
β+ (7%)
199Tl
β+ (1%)
201Tl
α (1%)
198Hg
ε (9.5%)
202Tl
α (1.9×10−6%)
206Hg