탄소 동위 원소

탄소는 원자량 8~22 사이에 총 15개의 동위 원소가 알려져 있다. 이들 중 ¹²C와 ¹³C는 안정 동위 원소이다. 방사성 동위 원소 중 가장 안정한 것은 ¹⁴C로 반감기가 약 5700년이며, 자연에도 미량 존재한다. 인공 방사성 동위원소 가운데 반감기가 가장 짧은 것은 ⁸C(3.5×10^-21초)이다.

탄소의 표준 원자량은 12.0107(8)u이다.

탄소-12

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탄소-12는 안정 동위 원소로 탄소 동위 원소 중 98.9%를 차지한다. 1961년 탄소-12 원자 1개 질량의 1/12를 원자 질량 단위가 채택된 이래 원자 질량의 기준으로 사용되고 있으며, 이 정의에 따라 탄소-12의 원자 질량은 정확히 12가 된다. 이전까지는 산소를 원자 질량의 기준으로 삼았으나, 화학자들은 산소 동위 원소의 비율을 고려한 단위를, 물리학자들은 산소-16만을 기준으로 한 단위를 사용하여 미세한 오차가 발생하였기 때문에 통일된 것이다.^[1]

탄소-13

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탄소-13은 탄소의 안정 동위 원소의 하나로, 전체 탄소의 1.1%를 차지한다. 핵 스핀이 1/2^-이므로 유기 화합물의 구조를 알아내는데 사용하는 NMR 실험에 사용된다.

탄소-14

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탄소-14는 '동위성 탄소'라고도 하며, 약 5730년의 반감기를 거쳐 β^- 붕괴하여 질소-14(¹⁴N)가 된다. 자연에는 극미량(전체 탄소의 약 1조 분의 1) 존재하며, 1936년에 처음으로 그 존재가 관찰되었다.^[2] 지상 9km에서 우주선에 의해 생성되는 중성자가 질소-14와 반응하여 생성되며, 그 양이 일정하게 유지되나, 대기권에서 행해지는 핵실험에 의해 변동이 있을 수 있다. 유기물 시료 속에 존재하는 다른 탄소 동위 원소와의 비율을 조사하여 방사성 탄소 연대 측정법에 이용되며, 대략 5만 년까지의 연대를 측정할 수 있다.

표

핵자 수	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소	핵 스핀	자연계에 존재하는 동위 원소 범위 (몰 분율)	자연계에 존재하는 최대 범위 (몰 분율)
8C	6	2	8.037675(25)	2.0(4) × 10−21 s [230(50) keV]	2p	6Be	0+
9C	6	3	9.0310367(23)	126.5(9) ms	β+ (60%)	9B	(3/2-)
					β+, p (23%)	8Be
					β+, α (17%)	5Li
10C	6	4	10.0168532(4)	19.290(12) s	β+	10B	0+
11C	6	5	11.0114336(10)	20.334(24) min	β+ (99.79%)	11B	3/2-
					K-포획 (0.21%)	11B
12C	6	6	12 (원자 질량의 기준)	안정			0+	0.9893(8)	0.98853-0.99037
13C	6	7	13.0033548378(10)	안정			1/2-	0.0107(8)	0.00963-0.01147
14C	6	8	14.003241989(4)	5,730y	β−	14N	0+	미량	<10−12
15C	6	9	15.0105993(9)	2.449(5) s	β−	15N	1/2+
16C	6	10	16.014701(4)	0.747(8) s	β−, n (97.9%)	15N	0+
					β− (2.1%)	16N
17C	6	11	17.022586(19)	193(5) ms	β− (71.59%)	17N	(3/2+)
					β−, n (28.41%)	16N
18C	6	12	18.02676(3)	92(2) ms	β− (68.5%)	18N	0+
					β−, n (31.5%)	17N
19C	6	13	19.03481(11)	46.2(23) ms	β−, n (47.0%)	18N	(1/2+)
					β− (46.0%)	19N
					β−, 2n (7%)	17N
20C	6	14	20.04032(26)	16(3) ms [14(+6-5) ms]	β−, n (72.0%)	19N	0+
					β− (28.0%)	20N
21C	6	15	21.04934(54)#	<30 ns	n	20C	(1/2+)#
22C	6	16	22.05720(97)#	6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms]	β−	22N	0+

같이 보기

• 방사성 탄소 연대 측정

각주

1. 심국석; 김봉래; 이순영. 《하이탑 고등학교 화학 I》. 두산동아. 56쪽. ISBN 978-89-0030-449-7.
2. Bonner, T. W.; Brubaker, W. M. (1936). “The disintegration of nitrogen by slow neutrons”. 《Physical Reviews》 49: 778.