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칼슘 동위 원소

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목차

1. 개요

칼슘 동위 원소는 칼슘 원자의 핵 안에 있는 중성자의 수에 따라 달라지는 다양한 형태를 의미한다. 칼슘의 주요 동위 원소는 40Ca, 41Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 45Ca, 46Ca, 47Ca, 48Ca, 49Ca, 50Ca, 51Ca, 52Ca, 53Ca, 54Ca, 55Ca, 56Ca, 57Ca가 있으며, 이 중 40Ca가 약 97%로 가장 풍부하다. 40Ca는 칼륨-아르곤 연대 측정법에 사용되며, 41Ca는 우주선에 의해 생성되어 태양계 형성 연구에 활용된다. 48Ca는 이중 마법 핵으로 매우 긴 반감기를 가지며, 핵융합 연구 및 의학적 이용에 대한 가능성이 탐구되고 있다. 2020년 기준으로 60Ca가 가장 무거운 칼슘 동위 원소로 알려져 있다.

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칼슘 동위 원소
칼슘 동위 원소 개요
칼슘-40 붕괴 방식
칼슘-40 붕괴 방식
원소 기호Ca
양성자 수20
중성자 수20-28
안정 동위 원소
존재 비율5개 (40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca)
가장 풍부한 동위 원소40Ca (96.941%)
방사성 동위 원소
가장 안정한 동위 원소48Ca (반감기: )
주요 동위 원소
칼슘-40가장 풍부한 동위 원소 (96.941%)
안정 동위 원소
칼슘-41방사성 동위 원소
반감기
41K로 붕괴
항성에서 중성자 포획을 통해 생성
태양계에서 소멸된 방사성 핵종으로 연구됨
지구화학에서 연대 측정기로 사용됨
40K에서 생성되어 40Ca로 붕괴되는 과정 연구에 사용됨
40Ca/41Ca 비율 분석에 사용됨
칼슘-42안정 동위 원소
칼슘-43안정 동위 원소
칼슘-44안정 동위 원소
칼슘-45방사성 동위 원소
반감기
45Sc로 붕괴
칼슘-46안정 동위 원소
칼슘-47방사성 동위 원소
반감기
47Sc로 붕괴
칼슘-48가장 무거운 안정 동위 원소
반감기
이중 베타 붕괴를 통해 48Ti로 붕괴
이중 베타 붕괴를 하는 가장 가벼운 동위 원소
활용
칼슘 동위 원소지질학, 수문학, 고생물학 연구에 사용됨
44Ca/42Ca 비율은 골다공증 진단에 사용될 수 있음
탄산 칼슘 침전 연구에 사용됨
화강암 생성 연구에 사용됨
용융 불혼화 및 탄산염 생성 연구에 사용됨
해양 산성화 연구에 사용됨
탄소 격리 연구에 사용됨
칼슘 동위 원소 분별은 생물학적 제어를 받음
포식성 공룡의 자원 분할 연구에 사용됨
인간의 이유 시기 평가에 사용됨
칼륨-칼슘 연대 측정법고지구화학, 행성 연대기 연구에 사용됨
태양계에서 가장 오래된 용암 연대 측정에 사용됨
하부 지각의 칼륨 고갈 확인에 사용됨
해수 내 방사성 40Ca 연구에 사용됨
히말라야의 물리적 및 화학적 침식 연구에 사용됨

2. 칼슘 동위 원소 목록

기호Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식붕괴 생성물핵 스핀자연계 존재비자연계에 존재하는 최대 범위34Ca201434.01412(32)#<35 nsp33K0+35Ca201535.00494(21)#25.7(2) msβ+ (>99.9%)35K1/2+#rowspan=2|rowspan=2|β+, p (<.1%)34Ar36Ca201635.99309(4)102(2) msβ+, p (56.8%)35Ar0+rowspan=2|rowspan=2|β+ (43.2%)36K37Ca201736.985870(24)181.1(10) msβ+, p (74.5%)36Ar(3/2+)rowspan=2|rowspan=2|β+ (25.5%)36K38Ca201837.976318(5)440(8) msβ+38K0+39Ca201938.9707197(20)859.6(14) msβ+39K3/2+40Ca202039.96259098(22)관측상 안정0+0.96941(156)0.96933-0.9694741Ca202140.96227806(26)1.02(7)×105 년ε41K7/2-미량42Ca202241.95861801(27)안정0+0.00647(23)0.00646-0.0064843Ca202342.9587666(3)안정7/2-0.00135(10)0.00135-0.0013544Ca202443.9554818(4)안정0+0.02086(110)0.02082-0.0209245Ca202544.9561866(4)162.67(25) 일β-45Sc7/2-46Ca202645.9536926(24)관측상 안정0+4(3)×10−54×10−5-4×10−547Ca202746.9545460(24)4.536(3) 일β-47Sc7/2-48Ca202847.952534(4)4.3(38)×1019 년β-β-48Ti0+0.00187(21)0.00186-0.0018849Ca202948.955674(4)8.718(6) 분β-49Sc3/2-50Ca203049.957519(10)13.9(6) 초β-50Sc0+51Ca203150.9615(1)10.0(8) 초β- (>99.9%)51Sc(3/2-)#rowspan=2|rowspan=2|β-, n (<.1%)50Sc52Ca203251.96510(75)4.6(3) 초β- (98%)52Sc0+rowspan=2|rowspan=2|β-, n (2%)51Sc53Ca203352.97005(54)#90(15) msβ- (70%)53Sc3/2-#rowspan=2|rowspan=2|β-, n (30%)52Sc54Ca203453.97435(75)#50# ms [>300 ns]β-, n53Sc0+rowspan=2|rowspan=2|β-54Sc55Ca203554.98055(75)#30# ms [>300 ns]β-55Sc5/2-#56Ca203655.98557(97)#10# ms [>300 ns]β-56Sc0+57Ca203756.99236(107)#5# msβ-57Sc5/2-#rowspan=2|rowspan=2|β-, n56Sc


2. 1. 주요 동위 원소

현재 지구상에 천연으로 존재하는 칼슘의 약 97%는 40Ca이다. 따라서, 원자량은 40.078(4) u로, 40Ca의 질량에 가깝다. 칼슘의 지구상에서 가장 가벼운 안정 동위 원소는 40Ca이다. 이 원자핵은 양성자 20개, 중성자 20개로 이루어져 있다. 이처럼 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 수가 같고, 지구상에서 안정하게 존재할 수 있는 원자핵으로는 2H, 4He, 6Li, 10B, 12C, 14N, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca가 알려져 있다. 이들 중 가장 무거운 것이 40Ca이다. 지구상에서 안정하게 존재할 수 있는 원자핵은 40Ca보다 무거운 원자핵의 경우, 반드시 양성자의 수보다 중성자의 수가 더 많다. 이러한 현상은 40Ca의 양성자와 중성자가 모두 20이라는 마법수이기 때문이라고 일반적으로 설명된다. 이처럼 양성자와 중성자가 모두 마법수인 상태를 이중 마법수라고 한다. 40Ca와 같은 이중 마법수인 핵종은 매우 안정하다고 여겨진다.40Ca는 40Ar과 함께, 40K의 붕괴에 의해 생성되는 핵종 중 하나이다. 지질학 분야에서 사용되는 방사성 연대 측정 방법 중 하나로, 칼륨-아르곤 연대 측정법이 자주 사용된다. 이에 반해, 40Ca는 원래 천연에 40Ca가 많이 존재하기 때문에 방사성 연대 측정에 40Ca를 사용하는 것은 어렵다. 칼륨-칼슘 연대 측정법에는 질량 분석 등이 사용된다.41Ca는 우주선에 의해 자연적으로 생성되는 동위원소로, 반감기 10만 3000년으로 41K로 붕괴한다. 주로 우주나 대기 상층부에서 일어나는 우주선 핵 파쇄에 의해 생성되는 핵종과는 달리, 41Ca는 40Ca의 중성자 방사화에 의해 생성된다. 이 때문에 지구상에서의 주요 생성 장소는 표고가 높은 곳이나, 우주선에서 유래된 중성자가 충분히 도달하는 정도의 토중이다. 또한, 41K의 운석 중 존재는 태양계 형성 시 41Ca의 존재를 의미하며, 태양계 형성 시 또는 그 직전에 41Ca의 합성장이 존재했음을 시사한다.

약 2g의 칼슘-48


칼슘-48은 28개의 중성자를 가진 이중 마법 핵으로, 가벼운 기원 핵으로는 이례적으로 중성자가 풍부하다. 이 핵종은 이중 베타 붕괴를 통해 6.4×1019년 정도로 매우 긴 반감기를 가지며 붕괴한다. 단일 베타 붕괴도 이론적으로 가능하다.[25] 이 붕괴는 ''sd'' 핵 껍질 모형으로 분석할 수 있으며, 다른 이중 베타 붕괴보다 에너지가 크다(4.27 MeV).[26] 또한 중성자가 풍부하고 초중원자핵의 전구체로 사용될 수 있다.[27][28]46Ca와 48Ca는 반감기가 길기 때문에 현재 지구에도 존재하는 방사성 동위 원소이다. 이 중 48Ca는 양성자가 20개 밖에 없는데도 불구하고 중성자 과잉 수가 8개나 되지만, 그에 비해 반감기는 길어 약 430경 년으로 극도로 안정적이다. 또한, 46Ca와 48Ca 중에서는 48Ca가 압도적으로 많이 존재한다. 이는 46Ca가 양성자 20개에 중성자 26개와 마법수를 하나만 가지고 있는 데 반해, 48Ca는 양성자 20개에 중성자 28개와 마법수를 두 개, 즉 이중 마법수를 가지고 있기 때문이라고 일반적으로 설명된다.

2. 1. 1. 40Ca

현재 지구상에 천연으로 존재하는 칼슘의 약 97%는 40Ca이다. 따라서, 원자량은 40.078(4) u로, 40Ca의 질량에 가깝다. 칼슘의 지구상에서 가장 가벼운 안정 동위 원소는 40Ca이다. 이 원자핵은 양성자 20개, 중성자 20개로 이루어져 있다. 이처럼 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 수가 같고, 지구상에서 안정하게 존재할 수 있는 원자핵으로는 2H, 4He, 6Li, 10B, 12C, 14N, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca가 알려져 있다. 이들 중 가장 무거운 것이 40Ca이다. 지구상에서 안정하게 존재할 수 있는 원자핵은 40Ca보다 무거운 원자핵의 경우, 반드시 양성자의 수보다 중성자의 수가 더 많다. 이러한 현상은 40Ca의 양성자와 중성자가 모두 20이라는 마법수이기 때문이라고 일반적으로 설명된다. 이처럼 양성자와 중성자가 모두 마법수인 상태를 이중 마법수라고 한다. 40Ca와 같은 이중 마법수인 핵종은 매우 안정하다고 여겨진다.40Ca는 40Ar과 함께, 40K의 붕괴에 의해 생성되는 핵종 중 하나이다. 지질학 분야에서 사용되는 방사성 연대 측정 방법 중 하나로, 칼륨-아르곤 연대 측정법이 자주 사용된다. 이에 반해, 40Ca는 원래 천연에 40Ca가 많이 존재하기 때문에 방사성 연대 측정에 40Ca를 사용하는 것은 어렵다. 칼륨-칼슘 연대 측정법에는 질량 분석 등이 사용된다.

2. 1. 2. 41Ca

41Ca는 우주선에 의해 자연적으로 생성되는 동위원소로, 반감기 10만 3000년으로 41K로 붕괴한다. 주로 우주나 대기 상층부에서 일어나는 우주선 핵 파쇄에 의해 생성되는 핵종과는 달리, 41Ca는 40Ca의 중성자 방사화에 의해 생성된다. 이 때문에 지구상에서의 주요 생성 장소는 표고가 높은 곳이나, 우주선에서 유래된 중성자가 충분히 도달하는 정도의 토중이다. 또한, 41K의 운석 중 존재는 태양계 형성 시 41Ca의 존재를 의미하며, 태양계 형성 시 또는 그 직전에 41Ca의 합성장이 존재했음을 시사한다.

2. 1. 3. 46Ca와 48Ca



칼슘-48은 28개의 중성자를 가진 이중 마법 핵으로, 가벼운 기원 핵으로는 이례적으로 중성자가 풍부하다. 이 핵종은 이중 베타 붕괴를 통해 6.4×1019년 정도로 매우 긴 반감기를 가지며 붕괴한다. 단일 베타 붕괴도 이론적으로 가능하다.[25] 이 붕괴는 ''sd'' 핵 껍질 모형으로 분석할 수 있으며, 다른 이중 베타 붕괴보다 에너지가 크다(4.27 MeV).[26] 또한 중성자가 풍부하고 초중원자핵의 전구체로 사용될 수 있다.[27][28]46Ca와 48Ca는 반감기가 길기 때문에 현재 지구에도 존재하는 방사성 동위 원소이다. 이 중 48Ca는 양성자가 20개 밖에 없는데도 불구하고 중성자 과잉 수가 8개나 되지만, 그에 비해 반감기는 길어 약 430경 년으로 극도로 안정적이다. 또한, 46Ca와 48Ca 중에서는 48Ca가 압도적으로 많이 존재한다. 이는 46Ca가 양성자 20개에 중성자 26개와 마법수를 하나만 가지고 있는 데 반해, 48Ca는 양성자 20개에 중성자 28개와 마법수를 두 개, 즉 이중 마법수를 가지고 있기 때문이라고 일반적으로 설명된다.

3. 칼슘 동위 원소의 활용

3. 1. 연대 측정

3. 2. 핵융합 연구

3. 3. 의학적 이용

4. 기타

칼슘-60은 2020년 기준으로 현재까지 알려진 가장 무거운 칼슘 동위 원소이다. 2018년 리켄에서 59Ca 및 다른 원소의 7가지 동위 원소와 함께 처음 관찰되었으며,[29] 이는 칼슘의 추가적인 짝수-''N'' 동위 원소가 최소한 70Ca까지 존재할 수 있음을 시사하는 반면, 59Ca는 홀수 ''N''을 가진 마지막 결합된 동위 원소일 가능성이 높다.[30] 이전 예측에서는 중성자 드립 라인이 60Ca에서 발생하고 59Ca는 결합되지 않을 것으로 추정했다.[29]

중성자가 풍부한 영역에서 ''N'' = 40은 마법수가 되므로, 60Ca는 68Ni 아이소톤에서 관찰되는 것처럼 이중 마법 핵일 가능성이 있는 것으로 초기에 고려되었다.[31][32] 그러나 그 후 인근 핵종 56Ca, 58Ca, 62Ti에 대한 분광학적 측정 결과, 60Ca는 64Cr 주변에 존재하는 것으로 알려진 반전의 섬에 위치해야 한다고 예측한다.[32][33]

참조

[1] 문서 REDIRECT
[2] 논문 Precise age determinations and petrogenetic studies using the KCa method https://www.scienced[...] 1982-12-01
[3] 웹사이트 K-Ca dating and Ca isotope composition of the oldest Solar System lava, Erg Chech 002 {{!}} Geochemical Perspectives Letters https://www.geochemi[...] 2024-10-16
[4] 웹사이트 Radiogenic Ca isotopes confirm post-formation K depletion of lower crust {{!}} Geochemical Perspectives Letters https://www.geochemi[...] 2024-10-16
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[6] 논문 Decoupling of physical and chemical erosion in the Himalayas revealed by radiogenic Ca isotopes https://www.scienced[...] 2022-12-01
[7] 논문 Calcium isotope ratios in blood and urine: A new biomarker for the diagnosis of osteoporosis 2019-06-01
[8] 논문 Ca isotopes record rapid crystal growth in volcanic and subvolcanic systems 2019-10-08
[9] 논문 Rapid CO2 mineralisation into calcite at the CarbFix storage site quantified using calcium isotopes 2019-04-30
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[15] 논문 Calcium isotopes offer clues on resource partitioning among Cretaceous predatory dinosaurs 2018-04-11
[16] 논문 Assessing human weaning practices with calcium isotopes in tooth enamel 2017-06-13
[17] 문서 Heaviest observationally stable nuclide with equal numbers of protons and neutrons
[18] 문서 Believed to undergo [[double electron capture]] to '''{{sup|40}}Ar''' with a half-life no less than 9.9×10{{sup|21}} y
[19] 문서 [[Cosmogenic nuclide]]
[20] 문서 Believed to undergo β{{sup|−}}β{{sup|−}} decay to '''{{sup|46}}Ti'''
[21] 문서 [[Primordial nuclide|Primordial]] [[radionuclide]]
[22] 문서 Believed to be capable of undergoing [[Double beta decay|triple beta decay]] with very long partial half-life
[23] 문서 Lightest nuclide known to undergo [[double beta decay]]
[24] 논문 Shell-model study of the highly forbidden beta decay {{sup|48}}Ca → {{sup|48}}Sc 1999
[25] 논문 Measurement of the double-beta decay half-life and search for the neutrinoless double-beta decay of {{sup|48}}Ca with the NEMO-3 detector
[26] 논문 Double Beta Decay of {{sup|48}}Ca
[27] 논문 New neutron-rich isotopes, {{sup|34}}Ne, {{sup|37}}Na and {{sup|43}}Si, produced by fragmentation of a 64A MeV {{sup|48}}Ca beam
[28] 논문 Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the {{sup|249}}Cf and {{sup|245}}Cm + {{sup|48}}Ca fusion reactions 2006-10
[29] 논문 Discovery of {{sup|60}}Ca and Implications For the Stability of {{sup|70}}Ca 2018-07-11
[30] 논문 Neutron Drip Line in the Ca Region from Bayesian Model Averaging 2019-02-14
[31] 논문 Nuclear Structure Towards ''N'' = 40 {{sup|60}}Ca: In-Beam γ -Ray Spectroscopy of {{sup|58, 60}}Ti 2014-03-21
[32] 논문 Shell evolution of ''N'' = 40 isotones towards {{sup|60}}Ca: First spectroscopy of {{sup|62}}Ti 2020-01
[33] 논문 Level structures of {{sup|56, 58}}Ca cast doubt on a doubly magic {{sup|60}}Ca 2023-08
[34] 간행물 短寿命放射性核種存在度と超新星元素合成モデルから推定する太陽系形成環境 2007
[35] 문서 우주의 나이보다 긴 반감기를 가진 동위원소는 굵은 글씨로 표시함. (안정에 가까움)
[36] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]
[37] 문서 안정 동위 원소는 굵은 글씨로 표시함
[38] 문서 양성자와 중성자의 개수가 동일한 가장 무거운 안정 동위 원소이다
[39] 문서 "40Ar으로 β+β+붕괴할 것으로 예측되며 3.8 ×102200 년보다 긴 반감기를 가졌을 것으로 예측된다"
[40] 문서 우주선 생성 동위 원소
[41] 문서 "46Ti으로 β-β-붕괴할 것으로 예측되며 7.1×1023 년보다 긴 반감기를 가졌을 것으로 예측된다"
[42] 문서 태양계 초창기부터 존재해 왔었던 방사성 핵종
[43] 문서 "48Ti으로 β-β-붕괴한다는 것이 확인되었다"


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