원시 핵자
原始 核子
1. 개요
'원시 핵자'란 지구가 탄생된 이래 태고적부터 존재해 온 핵자로서 안정 동위원소 253개와 방사성 동위원소 35개가 존재한다. 즉 우주 초기 빅뱅으로 생성된 동위체와 과거에 초신성 폭발로 인해 생성된 동위체 전부들 중 현재 존재하는 모든 동위체를 포함한다. 원시 핵자는 253개의 안정 동위체와 35개의 방사성 동위체를 포함한 지구상에 288개가 존재한다.
안정 동위 원소의 상당수는 80~130억년전에 주로 생성된 동위체가 많다. 우주에 존재하는 중원소들은 아주 먼 옛날 Ia형 초신성 폭발로 인해 생성된 경우가 85% 이상 차지하며, 행성상 성운의 구름과 초신성 폭발로 인해 생성된 경우도 있다. Ia형 초신성 폭발은 철도 다량 생성하며, 산소와 질소, 탄소도 대량으로 뿜어낸다. 거대한 항성의 최후인 초신성 폭발도 역시 동일하게 대량으로 뿜어내지만 우주에 존재하는 중원소의 85%는 Ia형 초신성 폭발로 인해 생겨났다. 이는 과거 우주에 Ia형 초신성 폭발이 지금보다 훨씬 더 자주 일어났으므로 가능했다.
우라늄, 토륨과 같은 무거운 방사성 동위체는 Ia형 초신성 폭발로 인해 생성되지는 않으며, 초신성 폭발로도 극미량 생성되므로 우주에는 매우 드물게 존재한다. 거의 의미가 없을 정도이다. 하지만 지구에는 우라늄, 토륨이 풍부한데 이는 태양계가 막 태어나기 직전에 근처의 거대한 항성이 수명을 마치고 초신성 폭발을 하거나, 두 중성자별이 서로 충돌하여 생성되었기 때문이다.
만약 지구가 거대 항성의 초신성 폭발의 영향 없이, Ia형 초신성 폭발의 영향을 받아 생성되었다면, 지구 지각에 존재하는 우라늄과 토륨의 양은 현재의 1000분의 1~3000분의 1도 채 되지 않는 금보다도 희귀한 원소였을 것이다. 우라늄과 토륨은 무거워서 행성이 생성되면 신 행성에 포함되려는 경향이 강하다. 이는 과거에 초신성 폭발로 인해 생성된 우라늄과 토륨은 초신성 폭발 직후 생성된 신 항성계에 대부분 흡수되는 것이며, 결국 우주에 퍼져있는 우라늄과 토륨이 극히 적다는 의미이다. 결국 지구 지각처럼 우라늄과 토륨이 풍부하려면, 행성이 새로 생성되기 직전에 근처에 무거운 항성의 초신성 폭발이 있어야 한다. 반대로 초신성 폭발이 자주 일어나는 은하 중심 근처에서 탄생한 행성은 거주 가능 영역 밖이여도 방사성 붕괴열만으로 표면의 물이 액체 상태로 존재할 수 있을 정도로 우라늄과 토륨이 풍부할 것이라는 예상이 있다.
2. 구분
원시 동위 원소를 구분하는 요소는 자연계에서 핵자가 발견되어야 하며, 반감기가 지구 나이의 90분의 1 이상이 되어야 한다. 물론 과거에 아주 많았던 방사성 동위체의 경우는 반감기의 140배의 시간을 거쳐 붕괴를 하여 완전히 절멸 상태가 가능하지만(초기 양의 1/2140), 웬만한 양의 동위체는 반감기의 120배의 시간 내로 붕괴가 가능하기 때문이다.(초기 양의 1/2120) 하지만 지구는 넓으므로 사실상 어느 수치가 넘으면 발견이 거의 불가능하거나, 발견하더라도 의미가 없기 때문에 기준치를 정해놓았다. 즉 지구 나이의 90분의 1로 반감기 5천만년 이상이 되어야 원시 핵자(원시 동위 원소)로 구분되며, 그 미만이면 절멸 핵종으로 구분된다.
이 기준에 부합되는 동위체들 중 가장 반감기가 작은 동위체는 146Sm(반감기 6828만년)으로 실제로 146Sm은 자연계에 극미량 존재한다. 하지만 92Nb(반감기 3472만년)은 이 기준에 부합되지 못하여 절멸 핵종으로 구분되며, 실제로 자연계에서 원자 한개도 발견되지 않는다.
3. 방사성 붕괴를 하는 원시 핵자 목록
현재까지는 방사성 붕괴를 하는 원시 핵자 목록은 35개이다. 이들 중 128Te은 2자 2300해년으로 가장 길며, 사마륨-146은 6828만년의 반감기를 가지고 있다. 다만 안정 동위 원소인 208Pb, 186W, 184W, 183W, 182W, 184Os, 180m1Ta, 124Xe 등은 현재는 안정 동위체로 구분되지만 방사성 붕괴를 할 것으로 예측하고 있어, 미래에 이들 동위체가 이 목록에 추가될 수 있다.
128Te(반감기 2.23 × 1024년)
78Kr(반감기 9.18 * 10^21년)
136Xe(반감기 2.16 × 1021년)
76Ge(반감기 1.778 × 1021년)
130Ba(반감기 1.16 × 1021년)
82Se(반감기 9.74 × 1020년)
130Te(반감기 7.911 × 1020년)
48Ca(반감기 4337경 년)
114Cd(반감기 3138경 년)
209Bi(반감기 2018경 년)
96Zr(반감기 2000경 년)
100Mo(반감기 852경 년)
150Nd(반감기 671경 년)
151Eu(반감기 516경 년)
180W(반감기 178경 년)
50V(반감기 13경 9000조 년)
113Cd(반감기 7710조 년)
148Sm(반감기 7000조 년)
144Nd(반감기 2290조 년)
174Hf(반감기 2020조 년)
186Os(반감기 2010조 년)
115In(반감기 441조 2000억 년)
152Gd(반감기 108조 년)
190Pt(반감기 6530억 년)
147Sm(반감기 1062억 년)
138La(반감기 1021억 년)
87Rb(반감기 492억 1200만 년)
187Re(반감기 412억 2천만 년)
176Lu(반감기 384억 3천만 년)
232Th(반감기 140억 4800만 년)
238U(반감기 44억 6800만 년)
40K(반감기 12억 4770만 년)
235U(반감기 7억 380만 년)
244Pu(반감기 8000만 년)
146Sm(반감기 6828만 년)