絶滅 核種
1. 소개
절멸 핵종이란 과거에는 존재했었지만, 자연계에 더 이상 존재하지 않는 동위원소이자 핵자이다.원자 1 mol 은 6.02 × 1023개인데, 이는 79번의 반감기를 거치면, 1 mol 내의 모든 원자가 분해되어 버린다. 초기 생성량을 고려하면 대략 90번 정도 반감기를 거치면 모두 사라질 것으로 예상할 수 있다. 지구의 나이(= 태양계의 나이)가 대략 45억년이기에, 원자의 반감기가 5000만년 이하라면 90번 이상의 반감기를 거치게 되어 현대 지구에는 사실상 존재하지 않게 된다. 이런 원자를 '절멸 핵종'이라고 부른다.
이런 절멸 핵종의 상당수는 실험실에서 인공적으로 만들어서 그 존재를 입증하기 때문에 ' 인공 원소'라고 불리기도 한다.
2. 분류
2.1. 90분의 1 기준
위의 계산처럼 90분의 1(반감기 5000만년 이하)을 기준으로 삼는 것이 일반적이다. 이 경우 플루토늄-244(반감기 8000만년)까지는 절멸 핵종이 아니며, 나이오븀-92(반감기 3472만년)부터 절멸 핵종이다.실제로 플루토늄-244까지는 극미량이나마 자연계에 존재하고 있으며, 나이오븀-92부터는 전혀 존재하지 않는다. 지구 지각 전체에 약 9g 정도의 천연 플루토늄-244가 있을 것으로 추정된다.
2.2. 30분의 1 기준
사마륨-146이나 플루토늄-244이 존재한다고는 하지만, 채취가 불가능할 만큼 극미량이기 때문에 사실상 절멸 핵종이나 다름없다는 주장도 있다. 그래서 30분의 1인 반감기 1억 5000만년 이하를 기준으로 하자는 주장도 있다. 이 기준이라면 우라늄-235(반감기 7억 380만년)까지는 존재하는 핵자이지만 사마륨-146(반감기 1억 300만년)부터는 절멸 핵종으로 구분 짓자는 것이다.따라서 90분의 1의 기준이 옳은 기준이지만, 실험을 하려면 원자로에서 생산해야 되기 때문에 30분의 1의 기준으로 보는 경우도 있다.
참고로 우라늄-235는 지구에 대략 30만 톤 정도 있을 것으로 예상한다.[1]
2.3. 기타
태양이 생성되고 난 뒤 지구를 비롯한 다른 행성들이 생길 때까지 약간의 시간 차이가 있는데, 반감기가 짧은 일부 핵종은 지구가 생기기도 전에, 심지어는 핵합성 직후[2] 이미 절멸되었을 것으로 예상한다. 이를 역산해 보면, 초기 지구에 존재해서 현재 지구에 무언가 영향을 주기 위해서는 반감기가 7만년 보다는 길어야 한다.즉, 니켈-59(반감기 7만 6500년)가 절멸 핵종의 최소 반감기이다. 니켈-59(반감기 7만 6500년)는 현재 지구에는 자연적으로 존재하지 않지만, 태양계 초기에 존재하여 지구를 비롯한 행성 형성 과정에서 분명히 영향을 준 동위체이다.
3. 과거의 절멸 핵종의 존재
지금은 존재하지 않지만, 과거에 절멸 핵종이 존재했기 때문에 현재 지구도 이루어질 수 있었다.거대한 항성의 초신성 폭발로 인해 중원소들이 대량으로 쏟아져 나오는데, 절멸 핵종들도 대량으로 같이 쏟아져 나왔다. 철-60, 알루미늄-26, 퀴륨, 플루토늄, 나이오븀-92, 팔라듐-107 등이다. 이들 중 가장 많이 쏟아져 나온 절멸 핵종은 알루미늄-26이었다.
태양계 극 초창기에 가스형 행성을 제외하고, 일반 암석형 행성이 크게 자랄 수 없었던 이유는 알루미늄-26의 뜨거운 열 때문이었다. 그 덕분에 많은 소행성들이 중력 섭동을 반복하여 태양으로 흡수될 수 있었고 어느 정도 태양계의 어지럽던 상황이 정리될 수 있었다.[3]
태양계의 나이가 500만 년이 되어서야 몇몇 거대 암석형 행성이 형성될 수 있었고 이것들이 오늘날 태양계의 암석형 행성이 될 수 있었다.[4]
태양계 극초기 시절의 어지럽던 태양계의 상황이 정리되었기 때문에, 이후 형성된 4개의 거대 암석형 행성들은 안정적으로 성장해 나갈 수 있었으며, 45억 6200만 년 전에 현재 수준으로 대부분 성장했으며, 달도 이때 형성되었다.[5]
이후에는 이들 거대한 암석형 행성에 위협이 될 만한 충돌은 일어나지 않았으며, 비교적 작은 소행성들의 충돌이 빈번하게 일어났다.[6]
비교적 빠른 혼돈을 빠르게 정리하게 해준 알루미늄-26이라는 동위체가 태양계 초기에 대량으로 존재했던 덕분에 4개의 행성이 살아남을 수 있었다.
이처럼 절멸 핵종은 초기 지구 생성에 큰 영향을 주었으며, 지구 생성 이후 2억 년 후까지도 지구 내부 열류량에 큰 영향을 주었다.
4. 절멸 핵종 목록
- 반감기 순으로 정렬.
| 원자번호 | 핵종 | 평균 원자량 | 안정 동위원소 핵종 | 최다 존재 핵종 및 그 비율 | 반감기[8] | 비고 |
| 28 | 59 Ni | 58.69 | 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni, 64Ni | 58Ni (68.077(19) %) | 76.5ky | |
| 20 | 41 Ca | 40.08 | 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca | 40Ca (96.94(16) %) | 103ky | |
| 92 | 233 U | 238 | - | 238U (99.3%) | 159.21ky | |
| 43 | 99 Tc | 98 | - | - | 211.1ky | |
| 50 | 126 Sn | 118.71 |
112Sn, 114Sn, 115Sn, 116Sn, 117Sn, 118Sn, 119Sn, 120Sn, 122Sn, 124Sn |
120Sn (32.58(9) %) | 231ky | |
| 34 | 79 Se | 78.97 | 74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se, 82Se | 80Se (49.61(41) %) | 317ky | |
| 96 | 248 Cm | 247 | - | - | 348ky | |
| 94 | 242 Pu | 244 | - | - | 373.3ky | |
| 13 | 26 Al | 26.98 | 27Al | 27Al (100 %) | 717.2ky | |
| 4 | 10 Be | 9.01 | 9Be | 9Be (100 %) | 1.387My | |
| 40 | 93 Zr | 91.22 | 90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr, 96Zr | 90Zr (51.45(40) %) | 1.531My | |
| 64 | 150 Gd | 157.25 | 154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd, 160Gd | 158Gd (24.84(7) %) | 1.781My | |
| 93 | 237 Np | 237.04 | - | - | 2.144My | |
| 55 | 135 Cs | 132.91 | 133Cs | 133Cs (100 %) | 2.29My | |
| 43 | 97 Tc | 98 | - | - | 2.62My | |
| 26 | 60 Fe | 55.85 | 54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe | 56Fe (91.754(36) %) | 2.621My | |
| 66 | 154 Dy | 162.50 | 156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy, 164Dy | 164Dy (28.26(54) %) | 2.984My | |
| 83 | 210 Bi | 208.98 | - | 209Bi (100 %) | 3.046My | |
| 43 | 98 Tc | 98 | - | - | 4.23My | |
| 46 | 107 Pd | 106.42 | 102Pd, 104Pd, 105Pd, 106Pd, 108Pd, 110Pd | 106Pd (27.33(3) %) | 6.502My | |
| 72 | 182 Hf | 178.49 | 176Hf, 177Hf, 178Hf, 179Hf, 180Hf | 180Hf (35.08(16) %) | 8.908My | |
| 82 | 205 Pb | 207.2 | 206Pb, 207Pb, 208Pb | 208Pb (52.4(1) %) | 15.3My | |
| 96 | 247 Cm | 247 | - | - | 15.6My | |
| 53 | 129 I[9] | 126.90 | 127I | 127I (100 %) | 15.7My | |
| 41 | 92 Nb | 92.91 | 93Nb | 93Nb (100 %) | 34.72My | |
| 62 | 146 Sm | 150.36 | 144Sm, 149Sm, 150Sm, 152Sm, 154Sm | 152Sm (26.75(16) %) | 68.28My | 1/30 기준 |
| 94 | 244 Pu | 244 | - | - | 80.006My | 1/30 기준 |
[1]
경제성 있는 매장량은 약 4만 톤이다.
[2]
안정성의 섬 등 반감기가 불확실한 미발견 동위원소를 배제할 때
초신성 폭발에서 생성된
초악티늄족 원소들은 짧으면 수
밀리초, 32시간의 반감기를 가진
더브늄도 4달 정도면 사라지며,
페르뮴 등
악티늄족 후반부 원소도 수십 년 정도 지나면 절멸된다.
[3]
당시에는 곳곳에 지름 수십km, 수백km나 되는 엄청나게 많은 수의 대형 소행성들이 내행성계 곳곳을 떠돌아다니고 있어서 충돌하고 원시 행성이 형성되었다가 강한 충돌로 파괴되어 사라지기를 반복하는 대혼돈 시대였다. 알루미늄-26은 이들이 수백 개의 대형 행성으로 성장하는 것을 막아주었기 때문에 많은 소행성들이 중력 섭동으로 태양으로 많이 흡수되어 사라질 수 있었고 이후 몇몇 대형 행성이 안정적으로 성장하도록 만들어주는 발판이 되었다.
[4]
비교적 빠르게 형성된 4개의 암석형 행성만이 살아남았고, 나머지 느리게 성장한 암석형 행성들은 중력 섭동으로 태양으로 흡수되거나 외부로 떨어져 나갔다. 초기에 어지럽던 상황이 많이 정리되었기 때문에 대형 행성들의 성장 개체수가 희귀해졌고 덕분에 4개의 행성이 살아남을 수 있었으며, 이들보다 느리게 성장한 나머지 암석형 행성들은 태양에 흡수되거나 태양계 외부로 탈출하는 식으로 빠르게 정리가 되었으므로, 이후에는 극도의 혼돈은 일어나지 않았다.
[5]
45억 6200만 년 전 태양계가 형성된 지 620만 년째 되던 시절에 원시 지구는 자신에게 위협이 될 만한 거대한 충돌을 맞이했고 이에 따라 달이 형성되었다. 사실상 이 충돌이 지구에 위협이 되는 마지막 충돌이었고, 이후의 소행성 충돌은 지구 자체에 위협이 되지 않았다.
[6]
아무리 커봐야 지름 1천 km 이내의 소행성 충돌이 다였고, 대부분 지름 수십 m~수 km 이내였다.
[7]
알루미늄-26 다음으로 두 번째로 가장 많이 쏟아져 나온 동위체이다.
[8]
ky는 1000년을 뜻하며, My는 100만 년을 뜻한다.
[9]
절멸핵종치고 드물게 자연에서 이의 붕괴산물인 제논 129가 검출되고,
우라늄과
토륨의 자발 핵분열로 인해 자연에서 극미량이 존재한다.