안정 동위 원소

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1. 개요
2. 안정성의 정의 및 자연 발생 핵종
- 2.1. 관측상 안정 동위 원소의 붕괴 여부
3. 원소별 동위 원소
- 3.1. 핵 이성질체
4. 미관측 붕괴
- 4.1. 이론적 붕괴 경로
5. 핵종 분류 요약표
6. 안정 핵종 목록
참조

1. 개요

안정 동위 원소는 자연적으로 존재하며, 붕괴되지 않고 영원히 존재한다고 여겨지는 핵종을 의미한다. 현재까지 약 251개의 안정 핵종이 발견되었으며, 이들은 자연적 붕괴가 관측되지 않아 반감기가 매우 긴 것으로 추정된다. 일부 동위원소는 매우 긴 반감기를 가질 것으로 예측되지만, 실험 감도의 향상으로 인해 약한 방사능이 발견되기도 한다. 안정 동위 원소는 양성자 붕괴와 같은 이론적 붕괴 가능성을 제외하고는 영원히 존재하며, 80개의 원소 중 251개의 안정 핵종이 존재한다.

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동위 원소 - 탄소 동위 원소
탄소 동위원소는 양성자 수는 6개로 같지만 중성자 수가 다른 탄소의 여러 형태로, 자연계에는 안정 동위원소인 탄소-12, 탄소-13과 방사성 동위원소인 탄소-14가 존재하며, 각각 원자 질량 단위 기준, 핵자기 공명 분광법, 방사성탄소연대측정법 등에 활용되고 비율 분석은 다양한 학문 분야에서 과거 환경 연구에 사용된다.
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.

안정 동위 원소
안정 동위 원소
설명	방사성 붕괴를 겪지 않는 핵종을 말한다.
안정 원소	하나 이상의 안정한 핵종을 가진 원소이다.
핵종 안정성	핵종의 안정성은 핵자 사이의 강한 핵력과 전자기력의 균형에 의해 결정된다.
안정성	핵종이 안정적인지 여부는 핵종을 형성하는 양성자 및 중성자의 수와 에너지 준위에 따라 결정된다. 수명이 매우 길어 실질적으로 안정한 것으로 간주되는 경우도 있다.
방사성 동위 원소와의 비교
방사성 동위 원소	방사성 붕괴를 겪는 핵종이다.
안정 동위 원소와 방사성 동위 원소의 차이	안정 동위 원소는 시간에 따라 변하지 않지만, 방사성 동위 원소는 특정 시간 동안 다른 원소로 변환된다.
준안정 핵종	일부 핵종은 준안정 상태로 존재할 수 있으며, 이 상태에서 방사성 붕괴를 겪을 수 있다.
존재
자연계	자연적으로 발생하는 원소 대부분은 안정 동위 원소로 구성되어 있다.
인공 핵종	인공적으로 생성된 핵종 중 일부도 안정 동위 원소이다.
원소 구성	대부분의 원소는 여러 개의 안정한 동위 원소를 가지고 있다.
활용
과학 연구	안정 동위 원소는 과학 연구에서 다양한 용도로 사용된다.
지질학	안정 동위 원소는 지질학적 연대 측정과 같은 분야에서 활용된다.
의학	안정 동위 원소는 의학 영상 촬영 및 치료에 사용되기도 한다.
환경 과학	환경 과학에서 오염 물질의 이동 경로를 추적하는 데 사용된다.
추적자	안정 동위 원소는 추적자로서 다양한 연구에 활용된다.
안정 동위 원소의 예
수소	수소-1 (양성자 1개) 및 수소-2 (중수소)
탄소	탄소-12 및 탄소-13
산소	산소-16, 산소-17, 산소-18
기타
참고	안정 동위 원소에 대한 상세 정보는 미국 에너지부의 동위 원소 설명 페이지를 참조한다.

2. 안정성의 정의 및 자연 발생 핵종

안정 동위 원소는 방사성 붕괴를 하지 않는 핵종을 말한다. 자연에는 약 251종의 안정 동위 원소가 존재하며, 이들은 빅뱅이나 핵합성 과정에서 생성된 것으로 추정된다.

수소(¹H)에서 납(²⁰⁸Pb)까지 254개의 안정 동위 원소가 존재하는데, 이 중 164개는 이론적으로 붕괴할 수 있는 조건이 있어 '''관측상 안정 동위 원소'''로 구분된다. 하지만, 이들 중 가장 무거운 ²⁰⁸Pb조차도 붕괴가 관측되지 않았다.

추가로 약 35종의 핵종은 매우 긴 반감기를 가져 원시 핵종으로 분류된다. 이들은 태양계 형성 이전부터 존재해 왔으며, 지구 나이(약 45억 년)와 비슷하거나 더 긴 반감기를 가진다. 예를 들어 ²³⁵U는 7억 년 정도의 반감기를 가진다.

일부 안정 동위 원소는 10¹⁸년 이상의 매우 긴 반감기를 가질 것으로 예측되기도 한다.^{^[2]} 예를 들어, ²⁰⁹Bi와 ¹⁸⁰W는 이전에는 안정적이라고 여겨졌지만, 2003년에 알파 붕괴를 하는 것이 밝혀졌다.

대부분의 안정 동위 원소는 빅뱅이나 태양계 형성 이전에 여러 세대의 별에서 일어나는 핵합성 과정에서 형성된 것으로 추정된다. 일부 안정 동위 원소는 장수명 방사성 핵종의 붕괴로 인해 지구에서 풍부도의 변화를 보이기도 하는데, 이러한 붕괴 생성물은 방사성 생성 동위 원소라고 한다.

2. 1. 관측상 안정 동위 원소의 붕괴 여부

수소(¹H)부터 지르코늄(⁹²Zr)까지의 90개 안정 동위 원소는 이론적으로 붕괴하지 않지만, 양성자 붕괴 가능성은 존재한다.^[10] 나이오븀(⁹³Nb) 이상의 핵종은 붕괴 가능성이 있지만, 매우 긴 반감기로 인해 관측이 어렵다.

양성자가 붕괴하는 모습은 아직 관측되지 않았지만, 양성자가 붕괴한다면 이들 90개의 안정 동위 원소도 붕괴할 수 있다. 하지만, 어쩌면 양성자는 이론과는 다르게 영원히 존재할 수 있으며, 이 경우 90개의 안정 동위 원소는 영원히 존재하게 된다.⁹³Nb 이상의 핵자수를 가진 동위 원소는 아주 약하게나마 붕괴할 수 있는 조건이 존재하여 관측상 안정 동위 원소로 분류된다. 그러나 가장 무거운 ²⁰⁸Pb조차도 붕괴가 관측되지 않았으며, 붕괴하더라도 반감기가 매우 길어 관측이 불가능할 수 있다.

관측상 안정 동위 원소도 이론과 달리 영원히 존재할 가능성이 있다.

3. 원소별 동위 원소

알려진 화학 원소 중 80개 원소는 적어도 하나의 안정 핵종을 가지고 있다. 이들은 수소부터 납까지의 처음 82개 원소를 포함하며, 테크네튬(원자 번호 43)과 프로메튬(원자 번호 61)은 안정 핵종을 갖지 않는 예외이다. 2024년 현재 총 251개의 안정 핵종이 알려져 있다. 여기서 "안정"이란 자연적 배경에 대해 붕괴가 관찰된 적이 없는 핵종을 의미한다.

안정 동위 원소의 개수는 원소마다 다르다. 주석은 10개의 안정 동위 원소를 가져 가장 많은 안정 동위 원소를 가진 원소이다.

5개 원소는 각각 7개의 안정 동위 원소를 가짐
7개 원소는 각각 6개의 안정 동위 원소를 가짐
11개 원소는 각각 5개의 안정 동위 원소를 가짐
9개 원소는 각각 4개의 안정 동위 원소를 가짐
5개 원소는 각각 3개의 안정 동위 원소를 가짐
16개 원소는 각각 2개의 안정 동위 원소를 가짐
26개 원소는 단 하나의 안정 동위 원소를 가짐^[3]

마지막 26개 원소는 ''단일 동위원소 원소''라고 불린다.^[3] 적어도 하나의 안정 동위 원소를 가진 원소의 평균 안정 동위 원소 수는 251/80 = 3.1375개이다.

3. 1. 핵 이성질체

알려진 251개의 안정 핵종에는 탄탈럼-180m이 포함되는데, 이는 "준안정" 상태이기 때문에 붕괴가 자연스럽게 예상되지만 아직 관측되지 않았기 때문이다.^[1] 모든 "안정" 동위원소(이론이 아닌 관측에 의해 안정적인 것)는 핵의 바닥 상태이지만, 탄탈럼-180m은 예외적으로 핵 이성질체 또는 들뜬 상태이다.^[1] 바닥 상태인 탄탈럼-180은 반감기가 8시간인 방사성 동위원소이다.^[1] 반면에, 이 핵 이성질체의 붕괴는 스핀-패리티 선택 규칙에 의해 매우 강하게 금지된다.^[1] 직접 관측을 통해 ^180mTa의 감마 붕괴 반감기가 10¹⁵년보다 큼이 보고되었다.^[1] ^180mTa의 다른 가능한 붕괴 모드(베타 붕괴, 전자 포획, 알파 붕괴)도 관측된 적이 없다.^[1]

4. 미관측 붕괴

실험 기술의 발전으로, 이전에는 안정적이라고 여겨졌던 일부 동위원소에서 매우 약한 방사능이 발견되기도 한다. 예를 들어 비스무트-209는 매우 약한 방사성을 띠며 반감기가 (1.9 ± 0.2) × 10¹⁹년이라는 것이 2003년에 보고되었다.^[6]^[7] 이는 핵물리학에서 비스무트-209가 매우 느리게 알파 붕괴할 것이라는 이전의 이론적 예측을 확인한 것이다.^[8]

이처럼 이론적으로는 불안정하지만, 아직까지 붕괴가 관측되지 않은 동위원소는 '관측상 안정'으로 분류된다.

4. 1. 이론적 붕괴 경로

질량수 165 이상의 모든 핵종은 알파 붕괴, 이중 베타 붕괴 등 다양한 붕괴 경로를 가질 수 있다.^[10] 아르곤-36은 이론적으로 불안정하지만 알려진 가장 가벼운 "안정적인" 핵종이다.^[10]

이러한 붕괴는 에너지 보존 법칙을 위반하지 않아 발생할 수 있지만, 실제로는 스핀-패리티 선택 규칙(베타 붕괴 및 이성질핵 전이)이나 퍼텐셜 장벽(알파 및 클러스터 붕괴, 자발 핵분열)에 의해 억제되어 관찰되지 않는다.^[10]

5. 핵종 분류 요약표

안정성 등급별 핵종 유형	각 등급의 핵종 수	누적 핵종 수	참고
알파 붕괴, 베타 붕괴, 이성질핵 전이 및 이중 베타 붕괴를 포함한 알려진 붕괴 모드에 따라 이론적으로 안정적인 것으로 간주되는 핵종	146	146	테크네튬(43번), 프로메튬(61번)을 제외한 처음 66개 원소의 모든 핵종. 만약 질량수가 93 이상인 핵종에서 자발 핵분열이 가능하다면, 이러한 모든 핵종은 불안정하므로 처음 40개 원소만 안정적일 것임. 만약 양성자 붕괴가 일어난다면 안정적인 핵종은 없음.
하나 이상의 알려진 붕괴 모드에 대해 에너지적으로 불안정하지만 아직 붕괴가 관찰되지 않은 핵종. 방사성이 확인될 때까지 안정적인 것으로 간주됨.	105^[2]^[12]	251	관측적으로 안정적인 핵종의 총합. 납까지의 모든 원소(테크네튬, 프로메튬 제외)가 포함됨.
방사성 원시 핵종	35	286	비스무트, 토륨, 우라늄 포함
원시 핵종이 아니지만 지구상에 자연적으로 존재하는 방사성 핵종	약 61개 (주요 핵종)	약 347개 (주요 핵종)	우주선으로부터 생성된 우주선 생성 핵종; 프랑슘 등과 같은 방사성 원시 핵종의 붕괴 생성물

6. 안정 핵종 목록

자연적으로 발생하는 핵종 중 약 251개가 안정적이며, 약 35개(총 286개)는 매우 긴 반감기를 가져 태양계 형성 이후에도 상당량 남아있는 원시 핵종으로 알려져 있다.^[2] 이들은 화학 원소의 자연적 동위원소 조성에 기여한다.

안정적인 것으로 분류되었던 일부 동위원소는 매우 긴 반감기를 가질 것으로 예측되며, 실험적으로 붕괴가 관찰되면 방사성 핵종으로 분류가 변경될 수 있다.^{^[2]} 예를 들어, ²⁰⁹Bi와 ¹⁸⁰W는 이전에는 안정적이었으나, 2003년에 알파 방사성을 갖는 것으로 밝혀졌다.

지구상의 대부분의 안정적인 동위원소는 빅뱅이나 태양계 형성 이전에 존재했던 여러 세대의 별에서 일어나는 핵합성 과정에서 형성된 것으로 여겨진다. 일부 안정적인 동위원소는 장수명 방사성 핵종의 붕괴로 인해 지구에서 풍부도 변화를 보이기도 한다.

다음은 안정 핵종과 장수명 원시 방사성 동위원소를 포함한 목록이다. 원시 방사성 동위원소는 기울임꼴로 표시되어 있으며, 안정 동위원소 목록과 분리되어 있다.

안정 핵종 및 장수명 원시 방사성 동위원소 목록

예측된 관측되지 않은 붕괴 약어:^[11]^[2]^[12]

'''α''' 알파 붕괴
'''B''' 베타 붕괴
'''2B''' 이중 베타 붕괴
'''E''' 전자 포획
'''2E''' 이중 전자 포획
'''IT''' 이성질체 전이
'''SF''' 자발 핵분열
'''*''' 반감기가 하한값을 갖는 핵종. 베타 붕괴가 또한 가능하지 않을 때에만 이중 베타 붕괴가 나열됨.

'''^''' 탄탈륨-180m은 "준안정 동위원소"이며, 탄탈륨-180의 여기된 핵 이성질체이다. 탄탈륨의 동위원소 참조.

'''^^''' 비스무트-209는 반감기가 2.01E년(우주의 나이의 10억 배가 넘는 시간)이기 때문에 오랫동안 안정적인 것으로 여겨졌다.

'''§''' 유로피움-151과 사마륨-147은 각각 4.62E년과 년의 매우 긴 반감기를 가진 원시 핵종이다.

참조

_[1] 웹사이트 DOE explains ... Isotopes https://www.energy.g[...] Department of Energy, United States 2023-01-11
_[2] 논문 Experimental searches for rare alpha and beta decays 2019
_[3] 웹사이트 Interactive Chart of Nuclides https://web.archive.[...] Brook haven National Laboratory 2008-06-06
_[4] 서적 Handbook of Chemistry & Physics https://web.archive.[...] CRC 2008-05-23
_[5] 논문 Signature of the N = 126 shell closure in dwell times of alpha-particle tunneling 2016
_[6] 웹사이트 WWW Table of Radioactive Isotopes http://nucleardata.n[...] 2018-05
_[7] 논문 Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth 2003
_[8] 논문 Alpha-activity of ²⁰⁹Bi https://link.springe[...] 1972
_[9] 웹사이트 NNDC – Atomic Masses https://web.archive.[...] 2009-01-17
_[10] 웹사이트 Nucleonica website http://www.nucleonic[...]
_[11] 웹사이트 Nucleonica :: Web driven nuclear science http://www.nucleonic[...]
_[12] 논문 Tables of Double Beta Decay Data — An Update

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