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	8.037643(20)	2.0(1.4)×10−21s [230(50) keV]	2p	6Be	0+
9C	6	3	9.0310372(23)	126.5(9) ms	β+(54.1(1.7)%)	9B	(3/2-)
					β+p(38.4(1.6)%)	8Be
					β+α(7.5(6)%)	5Li
10C	6	4	10.0168532(4)	19.3011(15) s	β+	10B	0+
11C	6	5	11.0114336(10)	20.3402(53) min	β+ (99.79%)	11B	3/2-
					ε (0.21%)	11B
12C	6	6	정확히 12(원자 질량의 기준)	안정			0+	[0.9884, 0.9904][3]
13C	6	7	13.003354835336(252)	안정			1/2-	[0.0096, 0.0116][3]
14C	6	8	14.003241989(4)	5730(30)a	β−	14N	0+	미량	<10−12
14mC	22.1(1) MeV				IT	14C	2-
15C	6	9	15.0105993(9)	2.449(5) s	β−	15N	1/2+
16C	6	10	16.014701(4)	750(6) ms	β−n (99.0(3)%)	15N	0+
					β− (1.0(3)%)	16N
17C	6	11	17.022579(19)	193(5) ms	β− (71.6(1.3)%)	17N	3/2+
					β−n(28.4(1.3)%)	16N
					β−2n?	15N
18C	6	12	18.02675(3)	92(2) ms	β− (68.5(1.5)%)	18N	0+
					β−n(31.5(1.5)%)	17N
					β−2n?	16N
19C	6	13	19.03480(11)	46.2(2.3) ms	β−, n (47(3)%)	18N	1/2+
					β− (46.0(4.2)%)	19N
					β−, 2n (7(3)%)	17N
20C	6	14	20.04026(25)	16(3) ms	β−, n (70(11)%)	19N	0+
					β−2n(<18.6%)	18N
					β−(>11.4%)	20 N
21C	6	15	21.04934(54)#	<30 ns	n	20C	(1/2+)#
22C	6	16	22.05755(25)	6.2(13) ms	β−n(61(14)%)	21N	0+
					β−2n (< 37%)	20N
					β− (> 2%)	22N

같이 보기

• 방사성 탄소 연대 측정