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안정 동위원소
안정 동위원소(安定同位元素, stable isotope)는 방사성 붕괴를 하지 않는 안정한 동위원소를 말한다. 254개의 안정 동위 원소가 존재하며 이들은 모두 안정하다.
목차
개요
안정 동위원소는 동위원소 가운데서 방사성동위원소를 뺀 나머지 원소를 말하는데, 동위원소를 화학적으로 분리할 수 없으므로 자연상태에서 동일 원소의 그 존재비는 지구상에서 일정하다.
안정동위원소를 포함하는 안정한 핵종(核種)의 수를 질량수(A)와 원자번호(Z)로 분류하면 된다. 이 분류로부터 짝수인 질량수와 짝수인 원자번호가 짝짓는 일이 압도적으로 많다는 것, 짝수인 질량수와 홀수인 원자번호를 가지는 원소는 불안정하다는 것(예외 H², Li⁶ B¹⁰, N¹⁴), 홀수인 원자번호를 가지는 원소는 2개 이상인 안정동위원소를 가지지 않는다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 사실은 핵자(核子) 사이의 상호작용에 대하여 중요한 지침을 부여한다. 동위원소는 화학적으로는 분리할 수 없으므로 자연상태에서의 동일 원소의 안정동위원소의 존재비는 지구상에서 일정하다.
상대적으로 무거운 질량을 가진 안정동위원소는 자연에 안정하게 존재하지만 매우 적은 양으로 존재한다. 예를 들어 탄소의 경우, ¹²C는 11.4 kg인데 반해 ¹³C는 겨우 137 g에 불과하다. 질소의 경우도 ¹⁴N은 1.3 kg인데 비해 ¹⁵N은 5.1 g 에 불과하다. 가장 가벼운 안정동위원소에 비해 무거운 안정동위원소는 약 0.5 ~ 1% 정도 밖에 없는 셈이다.
분류
안정 동위 원소는 ¹H에서 ²⁰⁸Pb까지 254개가 존재한다. 이중 164개의 동위 원소들은 이론상으로 붕괴할 수 있는 조건이 존재하므로 관측상 안정 동위 원소로 구분되고 있다.
무거운 안정동위원소 표시 방법
이런 작은 비율의 무거운 안정동위원소를 나타내는 방법은 가벼운 안정동위원소에 대한 무거운 안정동위원소의 비를 기준이 되는 표준물질과 대상 물질을 비교하여 천분율(‰)로 나타내는 것이다. 예를 들어, 탄소 안정동위원소의 비율을 나타내는 기준물질은 PDB(Pee Dee Belemnite) 석회암으로 무거운 탄소 동위원소의 비율이 비정상적으로 높다. 대상 물질, 즉 시료의 무거운 안정동위원소 비율은 δ(델타) 기호를 써서 나타낸다. 탄소의 경우를 예로 들면, 무거운 탄소 안정동위원소인 ¹³C의 비율, 즉 δ¹³C은
의 식으로 나타낸다. 대부분의 시료에서 무거운 탄소 동위원소의 비율은 기준물질인 PDB 석회암의 값보다 낮으므로, δ¹³C 값은 대부분 음수로 나타난다. 질소 안정동위원소의 기준물질은 대기 질소로 무거운 질소 동위원소의 비율이 매우 낮아 시료의 δ¹⁵N 값은 대부분 양수로 나타난다.
관측상 안정 동위 원소의 붕괴 여부
¹H에서 ⁹²Zr까지의 90개의 안정 동위 원소는 이론상으로 붕괴를 하지 않고 영원히 존재한다. 만약에 양성자가 붕괴된다면 이들도 붕괴를 하겠지만 아직 양성자(¹H )가 붕괴하는 모습이 관측되지 않았고, 어쩌면 양성자는 이론과는 다르게 영원히 존재할 수도 있다. 양성자가 붕괴하지 않는다면 이들 90개의 안정 동위 원소는 영원히 존재하게 된다.
⁹³Nb이상의 핵자수 93개 이상의 동위 원소는 붕괴할 수 있는 조건이 매우 약간이나마 존재하기 때문에 관측상 안정 동위 원소로 구분되고 있다. 하지만 가장 무거운 ²⁰⁸Pb조차도 붕괴되는 모습이 관측되지 않았다. 만약에 이들이 붕괴한다고 해도 반감기가 매우 길기 때문에 먼 미래에도 관측이 불가능 할 수도 있다.
하지만 관측상 안정 동위 원소들도 이론과는 다르게 영원히 존재할 수도 있다.
안정 동위원소의 활용
먹이그물 연구
탄소와 질소 안정동위원소는 양도 상대적으로 풍부해 측정이 쉽고 영양단계를 거치면서 탄소 안정동위원소의 값은 거의 변하지 않는데 비해 질소 안정동위원소의 값은 평균적으로 3.4‰ 씩 증가하는 일정한 패턴을 보이기 때문에 자연계의 먹이 관계를 나타내는 데 많이 이용된다. 두 가지 다른 먹이를 먹는 포식자의 δ¹³C는 두 먹이의 δ¹³C값 사이에서 먹는 비율에 따라 많이 먹는 쪽으로 치우친다. 따라서 δ¹³C는 포식자의 먹이원을 나타내고, δ¹⁵N값은 포식자의 영양 단계를 나타낸다.
원산지 확인
안정동위원소 활용 분야 중의 하나는 원산지 확인이다. 야외에서 방목하여 목초를 주로 먹은 뉴질랜드산 소의 δ¹³C값이 -24 ~ -28 범위이나 옥수수 사료를 주로 먹는 미국산 소는 δ¹³C값이 -9 ~ -14의 범위를 보여 확연히 구분된다. 한우는 목초와 옥수수 사료를 함께 먹여 뉴질랜드산과 미국산 소의 중간에 위치하는 값을 보인다. 최근 연구에 따르면 이러한 안정동위원소의 몸 속에서의 반감기는 50 kg 몸무게의 사람의 경우 약 20일 정도이다. 따라서 약 3주 정도면 안정동위원소의 비율이 상당히 변할 수 있다. 매일 먹은 것을 바로 반영하지는 못하지만 몇 주에 걸쳐 먹은 식단에 따라 사람의 탄소와 질소 안정동위원소의 비율은 크게 달라질 수 있다.
참고자료
같이 보기
