수소 동위 원소

수소 (H)는 H, H, H 총 세 가지 자연 발생 동위 원소를 가지고 있다. H와 H는 안정적이지만 H는 년의 반감기를 가진다. 이보다 더 무거운 동위 원소도 존재하는데, 모두 인공적으로 합성되었으며 반감기가 1 젭토초 (10 s) 미만이다.

수소는 동위 원소가 오늘날에도 일반적으로 사용되는 다른 이름을 가지고 있는 유일한 원소이다. H는 중수소이고 H는 삼중수소라고 부른다. 중수소와 삼중수소에는 D와 T 기호가 때때로 사용되는데, IUPAC (국제 순수·응용 화학 연합)는 이러한 기호를 허용하지만, 화학식의 알파벳 순서 혼동을 피하기 위해 표준 동위 원소 기호인 H와 H를 사용하길 권장한다. 중성자가 없는 H는 구분을 위해 프로튬이라고 부를 수 있다. (초기 방사능 연구 시기에는 다른 무거운 방사성 동위 원소도 이름이 붙여졌으나, 오늘날에는 거의 사용되지 않는다.)

섬네일|upright=1.8|left|수소의 세 가지 가장 안정한 동위 원소. 각각 프로튬 (A = 1), 중수소 (A = 2), 삼중수소 (A =&;3)이다.

 동위 원소 목록 
참고: "y"는 년을 의미하지만, "ys"는 욕토초 (초)를 의미한다.

|-
| H
| 1
| 0
| 
| colspan=3 align=center|안정양성자 붕괴가 일어나지 않는 한 안정하다.이 핵종과 He은 중성자보다 양성자가 더 많은 유일한 안정 핵종이다.
| 1/2+
| colspan="2" style="text-align:center" | [, ]
| 프로튬
|-
| H (D)대폭발 핵합성에서 생성되었다.몇 안 되는 안정적인 홀수-홀수 핵종 중 하나
| 1
| 1
| 
| colspan=3 align=center |안정
| 1+
| colspan="2" style="text-align:center" | [, ]
| 중수소
|-
| H (T)
| 1
| 2
| 
| 
| β
| He
| 1/2+
| 미량우주선과 반응해 생성
|
| 삼중수소
|-
| H
| 1
| 3
| 
| 
| n
| H
| 2−
|
|
|-
| H
| 1
| 4
| 
| 
| 2n
| H
| (1/2+)
|
|
|-
| H
| 1
| 5
| 
| 
|
|
| 2−#
|
|
|-
| H
| 1
| 6
| #
| 
|
|
| 1/2+#
|
|

 수소-1 (프로튬)  
섬네일|right|210px|H는 양성자 1개와 전자 1개로 구성되어 있다. 프로튬은 중성자가 없는 유일한 안정 핵종이다 (다른 핵종이 존재하지 않는 이유에 대한 논의는 이양성자를 참조하라).

H (원자 질량 )는 99.98% 이상의 존재비를 가진 가장 흔한 수소 동위 원소이다. 원자핵은 하나의 양성자로만 구성되어 있어서, 공식적인 이름은 프로튬(protium)이다.

양성자는 붕괴하는 것이 관찰된 적이 없으므로, H는 안정하다고 간주된다. 중성자가 없는 유일한 안정 핵종이다. 1970년대에 제안된 일부 대통일 이론은 양성자 붕괴가 년에서 년 사이의 반감기를 가지고 발생할 수 있다고 예측한다. 만약 그렇다면, H (그리고 현재 안정하다고 여겨지는 모든 핵종)는 단지 관측적으로 안정할 뿐이다. 2018년 기준 여러 실험에서 양성자의 평균 수명이 최소 > 년 이상임을 보여주었다.

 수소-2 (중수소)  

210px|thumbnail|left|중수소는 양성자 1개, 중성자 1개, 전자 1개로 구성되어 있다.

중수소, H (원자 질량 ), 다른 안정적인 수소 동위 원소는 핵에 양성자 1개와 중성자 1개를 가지며, 이를 중수소핵이라고 한다. H는 지구상의 수소의 26~184 ppm (질량이 아닌 개체수 기준)을 구성하며 이렇게 낮은 수치는 수소 기체에서 발견되는 경향이 있고 높은 농축치(150 ppm)는 전형적인 바닷물에서 발견된다. 지구상의 중수소는 대폭발 및 외부 태양계 (≈ 27 ppm, 원자 분율)와 우리 은하의 오래된 부분 (≈ 23 ppm)에서의 초기 농도에 비해 농축되었다. 아마도 내부 태양계에서의 중수소의 차등 농도는 중수소 가스 및 화합물의 낮은 휘발성 때문이며, 수십억 년 동안 태양으로부터 상당한 열에 노출된 혜성과 행성에서 중수소 분율을 농축시켰다고 추정된다.

중수소는 방사성이 없으며, 중대한 독성 위험물질이 아니다. H로 농축된 물은 중수라고 불린다. 중수소와 그 화합물은 화학 실험에서 비방사성 표지로 사용되며 H-핵자기 공명 분광법의 용매로 사용된다. 중수는 원자로의 중성자 감속재 및 냉각제로 사용된다. 중수소는 또한 상업용 핵융합의 잠재적인 연료이다.

 수소-3 (삼중수소)  

210px|thumbnail|right|삼중수소는 양성자 1개, 중성자 2개, 전자 1개로 구성되어 있다.

삼중수소, H (원자 질량 ), 핵에 양성자 1개와 중성자 2개를 가진다 (트리톤이라고 불린다). 이것은 방사성이며, 반감기 로 β 붕괴하여 헬륨-3으로 변한다. H의 미량은 우주선이 대기 가스와 상호작용하여 자연적으로 발생한다. H는 또한 핵 실험에서 방출되기도 했다. 이것은 핵융합 폭탄에서 동위 원소 지화학의 추적자로, 또한 자가 동력 조명 장치에 사용된다.

H를 생산하는 가장 일반적인 방법은 천연 리튬의 Li를 원자로에서 중성자로 충돌시키는 것이다.

삼중수소는 화학 및 생물학적 표지 실험에서 방사성 추적자로 사용할 수 있다. 중수소–삼중수소 핵융합은 H와 H를 주요 반응물로 사용하여, 두 핵이 고온에서 충돌하고 융합할 때 질량 손실을 통해 에너지를 생성한다.

 수소-4 
H (원자 질량 )는 양성자 1개와 중성자 3개를 가진 매우 불안정한 동위 원소이다. 이것은 삼중수소를 빠르게 움직이는 중수소핵으로 충격시켜 실험실에서 합성되었다. 삼중수소핵은 중수소핵에서 중성자 하나를 포획했다. H의 존재는 방출된 양성자를 감지함으로써 추론되었다. 이것은 중성자 방출을 통해 H로 붕괴하며 반감기는  ()이다.

1955년 풍자 소설 약소국 그랜드 펜윅의 뉴욕 침공기에서, 쿼디움이라는 이름은 그랜드 펜윅 공국이 미국으로부터 획득한 Q-폭탄에 동력을 공급하는 H에 주어졌다.

 수소-5 
H (원자 질량 )는 양성자 1개와 중성자 4개를 가진 매우 불안정한 원소이다. 이것은 삼중수소를 빠르게 움직이는 트리톤으로 충격시켜 실험실에서 합성되었다. 한 트리톤이 다른 트리톤에서 중성자 두 개를 포획하여, 양성자 1개와 중성자 4개를 가진 핵이 된다. 남은 양성자가 감지될 수 있으며, H의 존재가 추론된다. 이것은 이중 중성자 방출을 통해 H로 붕괴하며 반감기는  ()로 알려진 어떤 핵종보다도 가장 짧은 반감기를 가진다.

 수소-6 
H (원자 질량 )는 양성자 1개와 중성자 5개를 가지고 있다. 반감기는  ()이다. 2025년에 6H는 7Li 표적에 855 MeV 전자빔을 충돌시켜 생성되었다.

 수소-7 
H (원자 질량 )는 양성자 1개와 중성자 6개를 가지고 있다. 이는 2003년에 이화학연구소의 방사성 동위 원소 빔 공장에서 러시아, 일본, 프랑스 과학자들로 구성된 연구진이 헬륨-8 원자로 수소를 충격하여 처음 합성되었다. 여기서 헬륨-8의 중성자 6개 모두가 수소핵에 붙었다. 남아있는 두 양성자는 RI 빔 사이클로트론 표적 뒤에 위치한 여러 층의 센서로 만들어진 "이화학연구소 망원경"에 감지되었다. H의 반감기는  ()이다.

 붕괴 사슬 
H와 H는 직접 H로 붕괴하고, 이것은 다시 안정적인 He로 붕괴한다. 가장 무거운 동위 원소인 H와 H의 붕괴는 아직 실험적으로 관찰되지 않았다.


붕괴 시간은 H를 제외하고 모든 이들 동위 원소에 대해 욕토초 () 단위이며, H는 년 단위이다.

 같이 보기 
 수소 원자
 수소 동위 원소 생지화학
 수소-4.1 (뮤오늄 헬륨)
 뮤오늄 – 별난 경수소 동위 원소처럼 작용한다.


 내용주 

 각주 

 추가 문헌 


분류:수소

분류:원소별 동위 원소 목록