경원소 안정동위원소
안정동위원소 환경변화와 오염 연구 등에 많이 이용되고 있는 경원소 안정동위원소는 C(탄소), H(수소), O(산소), N(질소), S(황) 등입니다. 자연계의 대부분의 물질은 이들 원소로 구성되어 있거나 이들 원소를 포함하고 있습니다. 또한 자연계의 물질 내의 이들 원소의 동위원소비는 물질의 기원, 생성 환경 등에 따라 각기 다른 값을 가집니다. 따라서 이들 동위원소비를 분석하여 트레이서로서 물질의 기원과 순환을 연구하고, 동위원소 분별을 이용하여 물질의 생성 조건 해석 등에 활용하고 있습니다. 일반적으로 환경동위원소는 지열, 화석연료, 광물자원 등의 탐사와 성인 연구에도 많이 이용되고 있으며 수문학, 토양학, 생태학 및 의학적인 연구에도 응용되고 있습니다.
동위원소 질량분석 방법
동위원소는 질량이 다르므로 질량 분석계에 의해 질량을 분석합니다. 물(HO)의 경우를 예를 들면 D/H, 18010를 분석합니다. 산소와 수소의 경우 표준시료는 SMOW(Standard Mean Ocean Water)를 사용하며 다음과 같이 표시 합니다. do( (8/160) 시료(ISO/160) 표준시료 (-1) · 10'%) 이때 수소의 경우 180/160 대신 D/H를, 황은 345/52S, 탄소는 13C/I2C, 질소는 IN/I4N을 대입하면 됩니다. 단, 표준시료는 각각 CDT, PDB, 대기 중의 질소가 사용됩니다.
지하수 연구에 환경동위원소 이용
1960년대 이후에 지하수 연구에 이용되기 시작한 환경동위원소는 그 후 수문학적 응용영역에까지 확대되어 가고 있습니다. 수문지질학에서 말하는 환경 동위 원소는 물의 순환과정에서 자연히 산출되는 동위원소를 말하며 흔히 트레이서로 사용하고 있는 인공 방사성 동위원소는 포함시키지 않습니다. 환경수 중에 보통 포함되어 있는 환경 동위원소는 수소(H, H(D)), 탄소 (PC, C), 산소(160, 180), 황(32S, 345), 질소(N/IN) 등의 안정동위원소 와 H, C와 같은 방사성 기원의 동위원소가 있으며 이들 환경동위원소가 최근 수문학에 많이 이용되고 있습니다. 그 외의 안정 환경 동위원소인 'He/He. Li/Li, IB/10B, 37CI/BCI, BIBr/Br, 87Sr/Sr 등이 지하수 연구에 이용되고 있으며, 환경 방사성 동위원소는 H, 14C 외에 36CI, Ar, 85Kr, SIKr, 1291 221Rn, 220Ra, 230Th, 2340, 238U 등이 있으며 일부 방사성 동위원소도 드물게 지하수 연구에 이용되고 있습니다. 이들 환경 동위원소는 주로 지하수 함양체적, 투수성, 지하수계 연구, 지하 수의 기원과 유래, 지하수의 이동(거동)과 함양 속도, 상이한 기원의 물의 혼 합, 지하수의 유속 및 이동시간, 물수지 계산, 지하수 오염원 추적과 연대측정, 지하수의 순환, 지하수와 하천수와의 관계, 지하수-해수의 혼합, 폐기물에 의한 지하수 오염 연구, 열수와 암석 상호 반응 등에 광범위하게 이용 연구되고 있습니다.
물의 동위원소 분자
여러 환경동위원소 중 특히 물의 동위원소 분자는 H,160, Ho, H,180, HD60, HDTO, HD80, D, O, D,O, D,180 등의 9종류가 있으며, 그중 HO가 99.73%, HD'O가 0.032% 그리고 H,90가 0.20%로 되어 있습니다. HDIO와 H,180 모두 지하수(육수) 중에 용존하고 있는 기타 용존 화학성 분보다 높은 농도로 포함되어 있으며, 물의 동위원소 분자는 지하수에 용존하고 있는 기타 화학성분처럼 주위의 기타 물질과 반응하여 변화하지 않으므로 물에서 D와 180의 존재량 변화는 물의 거동 그 자체를 직접 반영하여 물의 기원 연구에 유용하게 이용되고 있습니다. 여러 지질환경에 존재하는 물은 그 기원과 지질환경의 변화과정에 의해 각기 다른 동위원소 값을 가집니다. 이러한 동위원소 값의 변화 요인이 환경오염 문제의 연구 수단이 될 수 있습니다.
물의 동위원소 값의 변화요인
물의 동위원소 값의 변화 요인은 ① 서로 다른 기원의 물의 혼합, ② 증발에 의한 액상-기상의 상변화에 따른 동위원소의 평형 분별 과정, ③ 확산에 의한 동적 동위원소 효과(kinetic isotopic effect), ④ 물-암석(또는 폐기물)과 상호 반응 등을 들 수 있습니다.
①의 경우 함양지, 기원 및 유래가 다른 물(특히 동위원소 비가 상이한 물)의 혼합을 규명할 수 있고 그의 혼합비도 계산이 가능합니다. 예를 들면 서로 다른 기원 A, B의 물이 혼합된 경우 그 혼합비를 다음과 같은 물질 평형 관계식에서 구할 수 있습니다. 880(계) = RBox + (I - R) S80p. RE OA OA + OB 즉, 각기 서로 다른 물의 산소와 OB 관계로 해수와 담수의 혼합, 지표수와 CE 지하수의 혼합, 강수와 지하수의 혼합비율 추정과 물의 기원을 해석할 수 있습니다. ②의 경우 물의 기상과 액상 간의 동위원소 분별 시 동위원소 분별 정수는 = RI/Ry이며 이때 R은 80/100, D/H입니다. 또한 확산속도차에 의해서도 물의 동위원소 분자는 서로 다른 동위원소비를 가지게 됩니다. Craig(1961)는 세계 각지의 강수, 지하수, 지표수 등의 수소(OD) 및 산소(SO) 동위원소비를 좌표축으로 도시한 결과 SD = 8880 + 10의 직선 관제가 얻어져 이를 순환 수선(meteoric water line)이라 했습니다. 모든 순환수 기원의 물은 순환 수선에 도시됩니다. 강수의 동위원소비는 온도, 위도, 우량, 계절 변화 등에 따라 뚜렷이 변화하고 있습니다.
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