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염소 동위 원소

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목차

1. 개요

염소는 두 가지 안정 동위 원소(염소-35, 염소-37)와 여러 방사성 동위 원소를 가진다. 자연적으로 존재하는 방사성 동위 원소인 염소-36은 우주선과의 상호 작용으로 생성되며, 핵실험으로 인해 증가하기도 했다. 염소-36은 지질학적 연대 측정 및 지하수 연대 측정에 활용되며, 짧은 반감기를 갖는 다른 방사성 동위 원소들도 존재한다.

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염소 동위 원소
동위 원소 정보
기호Cl
핵종별 정보
질량수35
기호Cl
존재 비율76%
안정성안정
질량수36
기호Cl
존재 비율미량
반감기3.01×10^5 년
붕괴 방식 1b- 붕괴
붕괴 생성물 1Ar-36
붕괴 방식 2전자 포획
붕괴 생성물 2S-36
질량수37
기호Cl
존재 비율24%
안정성안정

2. 염소 동위 원소

염소는 원자번호 17번 원소로, 자연에는 두 가지 안정 동위 원소인 35Cl와 37Cl이 존재한다. 35Cl는 약 75.8%, 37Cl는 약 24.2%의 비율로 존재한다.

이 외에도 다양한 방사성 동위 원소가 존재하는데, 그중 가장 중요한 것은 36Cl이다. 36Cl은 자연에 극미량(약 7×10-13) 존재하며, 대기 중에서 우주선과 아르곤의 상호작용으로 생성된다. 지표면에서는 35Cl의 중성자 포획이나 40Ca의 뮤온 포획을 통해 생성되기도 한다. 36Cl은 36S(1.9%)나 36Ar(98.1%)으로 붕괴하며, 약 30만 년의 반감기를 가진다.

1952년부터 1958년 사이에 실시된 핵실험으로 인해 해수 속에서 36Cl이 다량 생성되기도 하였는데, 대기 중 잔존 시간은 약 1주일이었다. 36Cl은 물의 연대를 측정하는 데 유용하게 쓰이며, 지리학에서 최대 100만 년까지의 연대를 측정하는 데 활용된다.[2][3][4][5]

2. 1. 안정 동위 원소

안정한 염소 동위 원소에는 염소-37이 있으며, 지구상에 자연적으로 존재하는 염소의 약 24.23%를 차지한다. 염화물 광물 퇴적물은 해수와 할라이트 퇴적물에서 발견되는 평균보다 약간 높은 염소-37 균형을 가지므로 변동이 발생한다.

2. 2. 주요 방사성 동위 원소

36Cl은 자연에 미량(약 ) 존재하는 방사성 동위 원소이다. 대기 중에서는 우주선과 아르곤 원자의 상호작용을 통해 생성되며, 지표면에서는 주로 35Cl의 중성자 포획이나 40Ca의 뮤온 포획을 통해 생성된다.[2] 36Cl은 36S (1.9%)이나 36Ar (98.1%)으로 붕괴하며, 반감기는 30만 8000년이다.[3][4][5] 친수성이며 불활성인 동위 원소이므로 6만 년에서 100만 년 정도의 지질 연대 측정에 적합하다. 1952년부터 1958년까지 실시된 대기 중 핵실험으로 인해 해수에서 대량의 36Cl이 생성되기도 하였다. 대기 중 36Cl의 잔류 시간은 약 1주일이며, 최근 50년간의 지하수 연대를 측정하는 데 사용될 수 있다. 36Cl은 지질학, 기상학 등의 분야에서도 이용된다.28Cl부터 51Cl까지 다양한 방사성 동위 원소가 존재하며, 대부분 짧은 반감기를 가진다. 아래 표에 자세히 설명되어 있다.

핵종양성자 수중성자 수질량반감기붕괴 방식붕괴 생성물핵 스핀
28Cl[1]171128.03035(54)#p27S1+#
29Cl171229.01505(20)#5.4(19) zsp28S(1/2+)
30Cl171330.005018(26)<50 ns[1]p29S3+#
31Cl171430.9924481(37)190(1) msβ+ (97.6%)31S3/2+
β+, p (2.4%)30P
32Cl171531.98568461(60)298(1) msβ+ (99.92%)32S1+
β+, α (0.054%)28Si
β+, p (0.026%)31P
33Cl171632.97745199(42)2.5038(22) sβ+33S3/2+
34Cl171733.973762490(52)1.5267(4) sβ+34S0+
34mCl171733.97390885(27)31.99(3) 분β+ (55.4%)34S3+
IT (44.6%)34Cl
36Cl[2]171935.968306822(38)3.013(15)×105 년β− (98.1%)36Ar2+
β+ (1.9%)36S
38Cl172137.96801041(11)37.230(14) 분β−38Ar2−
38mCl172137.96868178(11)715(3) msIT38Cl5−
39Cl172238.9680082(19)56.2(6) 분β−39Ar3/2+
40Cl172339.970415(34)1.35(3) 분β−40Ar2−
41Cl172440.970685(74)38.4(8) sβ−41Ar(1/2+)
42Cl172541.973342(64)6.8(3) sβ−42Ar(2−)
β−, n?41Ar
43Cl172642.974064(66)3.13(9) sβ−43Ar(3/2+)
β−, n?42Ar
44Cl172743.978015(92)0.56(11) sβ− (>92%)44Ar(2-)
β−, n? (<8%)43Ar
45Cl172844.98039(15)513(36) ms[6]β− (76%)45Ar(3/2+)
β−, n (24%)44Ar
46Cl172945.98525(10)232(2) msβ−, n (60%)45Ar2-#
β− (40%)46Ar
β−, 2n?44Ar
47Cl173046.98972(22)#101(5) msβ− (>97%)47Ar3/2+#
β−, n? (<3%)46Ar
β−, 2n?45Ar
48Cl173147.99541(54)#30# ms
[>200 ns]		β−?48Arrowspan=3|
β−, n?47Ar
β−, 2n?46Ar
49Cl173249.00079(43)#35# ms
[>200 ns]		β−?49Ar3/2+#
β−, n?48Ar
β−, 2n?47Ar
50Cl173350.00827(43)#10# ms
[>620 ns]		β−50Arrowspan=3|
β−, n?49Ar
β−, 2n?48Ar
51Cl173451.01534(75)#5# ms
[>200 ns]		β−?51Ar3/2+#
β−, n?50Ar
β−, 2n?49Ar


3. 염소 동위 원소 표

염소 동위 원소 표
핵종양성자 수중성자 수동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식[7][8]붕괴 생성물[9]핵 스핀대표 동위 원소 조성비 (몰 분율)자연 조성비 변동 범위 (몰 분율)
28Cl171128.02851(54)#p27S(1+)#
29Cl171229.01411(21)#<20 nsp28S(3/2+)#
30Cl171330.00477(21)#<30 nsp29S(3+)#
31Cl171430.99241(5)150(25) msβ+ (99.3%)31S3/2+rowspan=2|rowspan=2|
β+, p (.7%)30P
32Cl171531.985690(7)298(1) msβ+ (99.92%)32S1+rowspan=3|rowspan=3|
β+, α (.054%)28Si
β+, p (.026%)31P
33Cl171632.9774519(5)2.511(3) sβ+33S3/2+
34Cl171733.97376282(19)1.5264(14) sβ+34S0+
34mCl146.36(3) keV32.00(4) minβ+ (55.4%)34S3+rowspan=2|rowspan=2|
IT (44.6%)34Cl
35Cl171834.96885268(4)안정3/2+0.7576(10)0.75644-0.75923
36Cl[10]171935.96830698(8)3.01(2)×105 yβ- (98.1%)36Ar2+미량약 7×10-13
ε (1.9%)36S
37Cl172036.96590259(5)안정3/2+0.2424(10)0.24077-0.24356
38Cl172137.96801043(10)37.24(5) minβ-38Ar2-
38mCl671.361(8) keV715(3) msIT38Cl5-
39Cl172238.9680082(19)55.6(2) minβ-39Ar3/2+
40Cl172339.97042(3)1.35(2) minβ-40Ar2-
41Cl172440.97068(7)38.4(8) sβ-41Ar(1/2+,3/2+)
42Cl172541.97325(15)6.8(3) sβ-42Ar
43Cl172642.97405(17)3.07(7) sβ- (>99.9%)43Ar3/2+#rowspan=2|rowspan=2|
β-, n (<.1%)42Ar
44Cl172743.97828(12)0.56(11) sβ- (92%)44Arrowspan=2|rowspan=2|rowspan=2|
β-, n (8%)43Ar
45Cl172844.98029(13)400(40) msβ- (76%)45Ar3/2+#rowspan=2|rowspan=2|
β-, n (24%)44Ar
46Cl172945.98421(77)232(2) msβ-, n (60%)45Arrowspan=2|rowspan=2|rowspan=2|
β- (40%)46Ar
47Cl173046.98871(64)#101(6) msβ- (97%)47Ar3/2+#rowspan=2|rowspan=2|
β-, n (3%)46Ar
48Cl173147.99495(75)#100# ms [>200 ns]β-48Ar
49Cl173249.00032(86)#50# ms [>200 ns]β-49Ar3/2+#
50Cl173350.00784(97)#20# msβ-50Ar
51Cl173451.01449(107)#2# ms [>200 ns]β-51Ar3/2+#


4. 활용

미량의 방사성 염소-36(36Cl)은 환경에 존재하며, 안정 동위 원소에 대한 비율은 약 7×10−13 대 1이다. 36Cl은 우주선 양성자와의 상호 작용으로 36Ar의 스팔레이션에 의해 대기 중에서 생성된다. 지하 환경에서는 주로 35Cl의 중성자 포획 또는 40Ca의 뮤온 포획 결과로 생성된다. 36Cl은 36S (1.9%) 또는 36Ar (98.1%)으로 붕괴되며, 반감기는 30만 8000년이다.36Cl은 지질학적 연대 측정, 지하수 연대 측정, 기상학 등 다양한 분야에서 활용된다.

염화물 기반 용융염 원자로에서 36Cl의 중성자 포획으로 생성되는 것은 35Cl을 포함하는 염소의 자연 동위 원소 혼합물을 사용하기 때문에 불가피하다. 이는 저장하거나 폐기해야 하는 장수명 방사성 생성물을 만든다. 순수한 37Cl을 생산하기 위한 동위 원소 분리는 36Cl 생산을 대폭 줄일 수 있지만, 고속 중성자를 포함하는 (n,2n) 반응에 의해 소량이 여전히 생성될 수 있다.

4. 1. 지질학적 연대 측정

36Cl은 6만 년에서 100만 년 범위의 지질 연대 측정에 활용된다. 이 동위 원소는 친수성이며 불활성이기 때문에 이러한 연대 측정에 적합하다. 1952년부터 1958년까지 실시된 핵실험으로 인해 해수에서 대량의 36Cl이 생성되기도 하였다. 대기 중 36Cl의 잔류 시간은 약 1주일 정도이며, 토양과 지하수에 흔적이 남아 약 50년 전까지의 물의 연대를 측정하는 데 사용되기도 한다.

4. 2. 지하수 연대 측정

36Cl은 1950년대 이후의 지하수 연대 측정에 유용하게 사용된다.[1] 1952년에서 1958년 사이에 행해진 핵실험으로 인해 해수 속 염소가 반응하여 36Cl이 다량 생성되었다.[1] 36Cl의 대기 중 잔존 시간은 약 1주일이었으며, 토양과 지하수에 흔적이 남아 약 50년 전까지 물의 연대를 측정하는 데 쓰였다.[1]

4. 3. 기상학

36Cl은 기상학적 연구에도 활용된다. 1952년부터 1958년까지 실시된 대기 중 핵실험으로 해수에서 대량의 36Cl이 생성되었는데, 대기 중 36Cl의 잔류 시간은 약 1주일이었다. 따라서, 최근 50년간의 지하수 연대를 측정하는데 활용된다.

4. 4. 기타

미량의 방사성 36Cl영어은 환경에 존재하며, 안정 동위 원소에 대한 비율은 약 7×10−13 대 1이다. 36Cl영어은 우주선 양성자와의 상호 작용으로 36Ar영어의 스팔레이션에 의해 대기 중에서 생성된다. 지하 환경에서 36Cl영어은 주로 35Cl영어의 중성자 포획 또는 40Ca영어의 뮤온 포획의 결과로 생성된다. 36Cl영어은 36S영어 (1.9%) 또는 36Ar영어 (98.1%)으로 붕괴되며, 결합된 반감기는 308,000년이다. 이 친수성 비활성 동위 원소의 반감기는 6만 년에서 100만 년 범위의 지질 연대 측정에 적합하다. 또한, 1952년에서 1958년 사이에 핵무기의 대기 중 폭발 동안 해수의 중성자 조사를 통해 대량의 36Cl영어이 생성되었다. 대기 중 36Cl영어의 체류 시간은 약 1주일이다. 따라서 토양 및 지하수에서 1950년대 물의 사건 마커로서 36Cl영어은 현재로부터 50년 미만의 물을 연대 측정하는 데에도 유용하다. 36Cl영어은 지질 과학, 예측 및 원소의 다른 분야에서 사용되었다.

염화물 기반의 용융염 원자로에서 36Cl영어의 중성자 포획에 의한 생산은 염소의 자연 동위 원소 혼합물(즉, 35Cl영어을 포함하는 것)을 사용하는 불가피한 결과이다. 이것은 저장하거나 폐기해야 하는 장수명 방사성 생성물을 생성한다. 순수한 37Cl영어을 생산하기 위한 동위 원소 분리는 36Cl영어 생산을 대폭 줄일 수 있지만, 고속 중성자를 포함하는 (n,2n) 반응에 의해 소량이 여전히 생성될 수 있다.

참조

[1] 논문 Deep excursion beyond the proton dripline. I. Argon and chlorine isotope chains 2018
[2] 문서 Used in Radiodating#Chlorine-36 dating method radiodating water
[3] 논문 Cosmogenic chlorine-36 production rates in terrestrial rocks
[4] 논문 Variation in background concentrations and specific activities of 36Cl, 129I and U/Th-series radionuclides in surface waters
[5] 문서 Cosmogenic nuclide
[6] 논문 β− decay of neutron-rich 45Cl located at the magic number N=28 https://www.academia[...] American Physical Society (APS) 2023-08-18
[7] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]
[8] 문서 약자:IT: 이성질핵 전이
[9] 문서 굵은 글꼴은 안정 동위 원소
[10] 문서 방사능 연대 측정에 사용


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