토륨 동위 원소

Isotopes of thorium
토륨의 주 동위 원소 (90Th)
이소슈토페 썩다
멋쩍은 춤추다 반평생 (t1/2) 모드 프로이덕트
227TH 자취를 감추다 18.68 d α 223
228TH 자취를 감추다 1.166년 α 224
229TH 자취를 감추다 7917년[1] y α 225
230TH 0.02% 75400 y α 226
231TH 자취를 감추다 25.5시간 β 231
232TH 99.98% 1.405×1010 y α 228
234TH 자취를 감추다 24.1 d β 234
표준 원자량 Ar, standard(Th)232.0377(4)[2][3]

토륨(90Th)은 자연발생 동위원소가 7개 있지만 안정성은 없다. 하나의 동위원소인 Th는 비교적 안정적이며 반감기가 1.405×10세로10 지구의 나이보다 상당히 길고, 심지어 일반적으로 받아들여지는 우주의 나이보다 약간 더 길다. 이 동위원소는 거의 모든 천연 토륨을 구성하기 때문에 토륨은 단핵종으로 간주되었다. 그러나 IUPAC는 2013년 깊은 바닷물에 많은 Th가 있기 때문에 토륨을 이핵종으로 재분류하였다. 토륨은 특징적인 지상 동위원소 구성을 가지고 있으므로 표준 원자량을 제공할 수 있다.

31개의 방사성 동위원소가 특징으로 되어 있는데, 가장 안정된 것은 Th, 75,380년의 반감기 Th, 7,917년의 반감기 Th,[1] 그리고 1.92년의 반감기 Th이다. 나머지 방사성 동위원소는 모두 반감기가 30일 미만이고 이들 중 대다수는 10분 미만인 반감기가 있다. 한 동위원소 Th는 최근에 8.28 ± 0.17 eV로 측정된 현저하게 낮은 흥분 에너지를 가진 핵 이소머(또는 전이 가능한 상태)를 가지고 있다.[4][5] Th핵의 레이저 분광법을 수행하고 저에너지 전환을 극히 높은 정확도의 핵시계 개발에 활용하자는 제안이 나왔다.[6][7]

토륨의 알려진 동위원소는 질량 수 208에서[8] 238까지 다양하다.

동위 원소 목록

뉴클리드
[n 1]
역사적인
이름을 붙이다
Z N 동위원소 질량 (Da)
[n 2][n 3]
하프라이프
[n 4]
썩다
모드

[n 5]

동위 원소

[n 6]
스핀 앤 앤
동등성
[n 7][n 8]
자연적 풍요 (분수)
흥분 에너지 정상비율 변동 범위
208TH[8] 90 118 208.01791(4) 1.7(+1.7-0.6) ms α 204 0+
209TH[9] 90 119 209.01772(11) 7(5) ms
[3.8(+69−15)]
α 205 5/2−#
210TH 90 120 210.015075(27) 17(11) ms
[9(+17−4) ms]
α 206 0+
β+(rare) 210Ac
211TH 90 121 211.01493(8) 48(20)ms
[0.04(+3−1) s]
α 207 5/2−#
β+(rare) 211Ac
212TH 90 122 212.01298(2) 36(15) ms
[30(+20-10) ms]
α (99.7%) 208 0+
β+ (.3%) 212Ac
213TH 90 123 213.01301(8) 140(25) ms α 209 5/2−#
β+(rare) 213Ac
214TH 90 124 214.011500(18) 100(25) ms α 210 0+
215TH 90 125 215.011730(29) 1.2(2)초 α 211 (1/2−)
216TH 90 126 216.011062(14) 26.8(3) ms α (99.99%) 212 0+
β+ (.006%) 216Ac
216m1TH 2042(13) keV 137(4) μs (8+)
216m2TH 2637(20) keV 615(55)ns (11−)
217TH 90 127 217.013114(22) 240(5) μs α 213 (9/2+)
218TH 90 128 218.013284(14) 109(13)ns α 214 0+
219TH 90 129 219.01554(5) 1.05(3)μs α 215 9/2+#
β+ (10−7%) 219Ac
220TH 90 130 220.015748(24) 9.7(6)μs α 216 0+
EC(2×10−7%) 220Ac
221TH 90 131 221.018184(10) 1.73(3) ms α 217 (7/2+)
222TH 90 132 222.018468(13) 2.237(13)ms α 218 0+
EC(1.3×10−8%) 222Ac
223TH 90 133 223.020811(10) 0.60(2)초 α 219 (5/2)+
224TH 90 134 224.021467(12) 1.05(2)초 α 220 0+
β++(절대) 224
CD(레이어) 208PB
16O
225TH 90 135 225.023951(5) 8.72(4)분 α (90%) 221 (3/2)+
EC(10%) 225Ac
226TH 90 136 226.024903(5) 30.57(10)분 α 222 0+
227TH 라디오액티늄 90 137 227.0277041(27) 18.68(9) d α 223 1/2+ 트레이스[n 9]
228TH 라디오토륨 90 138 228.0287411(24) 1.1966(16) y α 224 0+ 트레이스[n 10]
CD(1.3×10−11%) 208PB
20O
229TH 90 139 229.031762(3) 7.34(16)×103 y α 225 5/2+ 트레이스[n 11]
229mTH 8.3(2) eV[5] 7(1) μs[10] IT 229TH 3/2+
230TH[n 12] 이오늄 90 140 230.0331338(19) 7.538(30)×104 y α 226 0+ 0.0002(2)[n 13]
CD(5.6×10−11%) 206Hg
24
SF(5×10−11%) (다양한)
231TH 우라늄 Y 90 141 231.0363043(19) 25.52(1) h β 231 5/2+ 트레이스[n 9]
α (10−8%) 227
232TH[n 14] 토륨 90 142 232.0380553(21) 1.405(6)×1010 y α 228 0+ 0.9998(2)
β(절대) 232U
SF(1.1×10−9%) (iii)
CD(2.78×10−10%) 182Yb
26
24
233TH 90 143 233.0415818(21) 21.83(4)분 β 233 1/2+
234TH 우라늄1 X 90 144 234.043601(4) 24.10(3) d β 234m 0+ 트레이스[n 13]
235TH 90 145 235.04751(5) 7.2(1)분 β 235 (1/2+)#
236TH 90 146 236.04987(21)# 37.5(2)분 β 236 0+
237TH 90 147 237.05389(39)# 4.8(5)분 β 237 5/2+#
238TH 90 148 238.0565(3)# 9.4(20)분 β 238 0+
표 머리글 및 바닥글:
  1. ^ mTh – 흥분된 핵 이성질체.
  2. ^ ( ) – 불확실성(1σ)은 해당 마지막 자리 뒤에 괄호 안에 간결한 형태로 주어진다.
  3. ^ # – 원자 질량 표시 #: 순수하게 실험적인 데이터에서 도출된 값과 불확실성, 적어도 부분적으로는 질량 표면(TMS)의 경향에서 도출된 값과 불확실성.
  4. ^ 대담한 반감기우주의 나이보다 거의 안정적이고 반감기가 길다.
  5. ^ 붕괴 모드:
    CD: 군집 붕괴
    EC: 전자 포획
    IT: 등축 전이
  6. ^ 딸로서의 굵은 기호 – 딸 제품은 안정적이다.
  7. ^ ( ) 스핀 값 – 취약한 할당 인수가 있는 스핀을 나타낸다.
  8. ^ # – #로 표시된 값은 순수하게 실험 데이터에서 도출된 것이 아니라 최소한 부분적으로 인접 핵종(TNN)의 경향에서 도출된 것이다.
  9. ^ a b U의 중간 붕괴 제품
  10. ^ Th의 중간 붕괴 산물
  11. ^ Np의 중간 붕괴 산물
  12. ^ 우라늄-토륨 데이트에 사용됨
  13. ^ a b U의 중간 붕괴 제품
  14. ^ 원시적 방사성핵종

사용하다

토륨은 토륨 기반의 원자력 발전용으로 제안되어 왔다.

많은 나라에서 소비재에서 토륨의 사용은 방사능이기 때문에 금지되거나 금지된다.

그것은 현재 고온에서의 물리적 안정성과 표면에서 전자를 제거하는 데 필요한 낮은 작업 에너지의 결합을 위해 진공관의 음극에 사용된다.

그것은 약 1세기 동안 가스등과 캠핑등과 같은 가스등과 증기등의 맨틀에 사용되어 왔다.

저분산렌즈

토륨은 제2차 세계대전 당시 코닥이 만든 에어로-에카렌즈의 특정 유리 원소에도 사용되었다. 그러므로 그것들은 가벼운 방사능이다.[11] f/2.5 Aero-Ektar 렌즈의 유리 원소 중 2개는 무게로 11%, 토륨은 13%이다. 토륨 함유 유리잔은 굴절률이 높고 분산(파장을 가진 지수의 구분)이 적어 선호도가 높은 특성이 있어 사용됐다. 살아남은 많은 Aero-Ektar 렌즈는 유리의 방사선 손상 때문일 가능성이 있는 차색 틴트를 가지고 있다.

이 렌즈들은 방사선 수치가 짧은 시간 동안 안개 필름을 피울 정도로 높지 않기 때문에 공중정찰에 사용되었다. 이것은 방사선 수준이 합리적으로 안전하다는 것을 나타낼 것이다. 그러나 사용하지 않을 때는 이러한 렌즈를 일반 거주 지역에서 가능한 한 멀리 보관하는 것이 현명할 것이다. 따라서 역제곱 관계가 방사선을 감쇠시킬 수 있다.[12]

액티니데스 대 핵분열 생성물

부패 사슬에 의한 액티니데스[13] 하프라이프
범위(a)
수율[14] 의한 U의 핵분열 생성물
4n 4n+1 4n+2 4n+3
4.5–7% 0.04–1.25% <0.001%
228 4-6 a 155Euþ
244CMƒ 241PUƒ 250cf 227Ac a 10-29 90SR 85크르 113mcdþ
232Uƒ 238PUƒ 243CMƒ a 29-97 137Cs 151smþ 121mSn
248Bk[15] 249cfƒ 242mƒ a 141–351 a

핵분열 생성물 없음
반신반의하다
의 범위 내에서
100 a–10 ka...

241ƒ 251cfƒ[16] a 430-900
226 247Bk 1.3–1.6 ka
240PU 229TH 246CMƒ 243ƒ 4.7–7.4 ka
245CMƒ 250CM 8.3–8.5 ka
239PUƒ 24.1 ka
230TH 231 32-76 ka
236Npƒ 233Uƒ 234U 150–250 ka 99TC 126Sn
248CM 242PU 327–375 ka 79SE
1.53 마 93Zr
237Npƒ 2.1–6.5 Ma 135Cs 107피디
236U 247CMƒ 마 15-24 129I
244PU 80 마

... 15.7 마를[17] 넘지 않는다.

232TH 238U 235Uƒ№ 0.7–14.1 Ga

위첨자 기호의 범례
₡은 8-50 barns 범위에서 열 중성자 포획 단면
ƒ 핵분열기
m 측정 가능한 이성질체
자연발생 방사성물질(NORM)
þ 중성자 독(중성자 포획 단면 3k barns 이상)
† 범위 4~97 a: 중생 핵분열 생성물
‡ 200 ka 이상 : 장수 핵분열 생성물

주목할 만한 동위원소

토륨-228

228th는 138개의 중성자를 가진 토륨동위원소다. 토륨-232의 분해 사슬에서 발생했기 때문에 한때 라디오토튬이라고 명명되었다. 반감기는 1.9116년이다. 그것라에게 알파 붕괴를 겪는다. 가끔 비정상적인 군집 붕괴 경로로 분해되어 O의 핵을 방출하고 안정적인 Pb를 생산한다. 그것은 U의 딸 동위원소다.

228Th의 원자량은 228.0287411g/mole이다.

토륨-229

229Th는 7917년의 반감기알파 방출에 의해 분해되는 토륨방사성 동위원소다.[1] 229그것은 우라늄-233의 붕괴에 의해 생산되며, 그것의 주된 용도는 액티늄-225비스무트-213 동위원소 생산을 위한 것이다.[18]

토륨-229m

1976년 감마선 분광 분석은 Th가 핵 이소머인 Th를 가지고 있다는 것을 처음으로 나타냈으며, 현저하게 낮은 흥분 에너지를 가지고 있었다.[19] 당시 에너지는 순수하게 이소체의 직접 붕괴에 대한 비관찰에 기초하여 100 eV 이하인 것으로 추론되었다. 그러나 1990년에 추가 측정으로 인해 에너지가 거의 확실히 10 eV 미만이라는 결론이 내려졌고,[20] 이소머는 알려진 가장 낮은 흥분 에너지 중 하나가 되었다. 다음 해에는 에너지가 3.5 ± 1.0 eV로 더 제한되었고, 이는 오랫동안 허용되는 에너지 값이었다.[21] 그러한 낮은 에너지는 개념적으로 핵 상태의 직접적인 레이저 소출을 허용하기 때문에 곧 어느 정도 관심을 불러일으켰으며,[22] 이는 예를 들어[6][7] 매우 높은 정확도의 핵 시계 개발이나 양자 컴퓨팅을 위한 쿼비트로서 몇 가지 흥미로운 잠재적 응용으로 이어진다.[23]

Th의 핵 레이저 흥분과 그에 따라 핵 시계의 개발은 지금까지 이등분 특성에 대한 불충분한 지식으로 인해 방해 받아왔다. 이물질 에너지에 대한 정확한 지식은 이 맥락에서 특히 중요한데, 이는 필요한 레이저 기술을 결정하고 직접 배설물을 검색할 때 스캐닝 시간을 단축하기 때문이다. 이는 이론적 및 실험적으로 전환 에너지를 정밀하게 결정하고 이등분 상태 Th의 다른 특성(수명 및 자기 모멘트 등)을 명시하려는 수많은 조사를 촉발했다.[24]

이등분체 붕괴에서 방출되는 광자를 직접 관찰하면 이등분 에너지 값을 고정하는 데 상당히 도움이 될 것이다. 불행하게도, 오늘까지 Th의 붕괴에서 방출되는 광자의 검출에 관한 완전한 결정적인 보고는 없었다. 대신, 고급 고해상도 X선 마이크로 칼로리를 이용한 감마선 분광기 측정은 2007년에 수행되어 2009년에 E = 7.8 ± 0.5 eV로 보정된 [25]E = 7.6 ± 0.5 eV의 전환 에너지에 대한 새로운 값을 산출했다.[26] 이등분자 에너지가 3.5 eV에서 7.8 eV로 이동하는 것은 전환을 직접 관찰하려는 여러 초기 시도가 실패한 이유를 설명할 수 있다. 그럼에도 불구하고 최근 이등변성 붕괴에서 방출되는 빛에 대한 대부분의 검색은 잠재적으로 강한 비방사성 붕괴 채널을 가리키며 [27][28][29][30]어떤 신호도 관찰하지 못했다. 이등변성 붕괴에서 방출되는 광자의 직접 검출은[31] 2012년과 2018년에 다시 요청되었다.[32] 그러나 두 보고서 모두 현재 지역사회 내에서 논란이 되고 있는 논의 대상이다.[33][34]

Th의 내부 변환 붕괴 채널에서 방출되는 전자의 직접 검출은 2016년에 달성되었다.[35] 그러나 당시 이소체의 전환 에너지는 6.3과 18.3 eV 사이에서만 약하게 제한될 수 있었다. 마지막으로, 2019년에는 이소체 붕괴에서 방출되는 내부 변환 전자의 비광학적 전자 분광법을 통해 이소체의 흥분 에너지를 8.28±0.17 eV로 결정할 수 있게 되어 오늘날 가장 정밀한 에너지 값이 제시되었다.[5] 그러나 이 값은 8.4 eV 제논 VUV 광자와 유사한 신호를 표시할 수 있지만 약 1.3+0.2-0
.1
eV의 에너지 감소와 1880s의 수명을 갖는다는 것을 보여주는 2018년 사전 인쇄와 상충한다.[32]
이 논문에서 Th는 SiO2 포함되었고, 에너지 이동과 수명을 변경시켰을 가능성이 있다. 비록 관련 주들은 주로 핵물질이지만, 전자적 상호작용으로부터 그들을 보호한다.

극히 낮은 흥분 에너지의 특이성으로서 Th의 수명은 핵의 전자 환경에 매우 많이 의존한다. Th 이온에서 내부 변환 붕괴 채널은 정력적으로 금지되는데, 이산화 에너지가 Th의+ 추가 이온화에 필요한 에너지보다 낮기 때문이다. 이는 어떤 측정도 존재하지 않지만 이론적으로3 10초에서4 10초 사이의 범위에 있을 것으로 예측된 Th의 복사 수명에 근접할 수 있는 수명으로 이어진다.[36][37] 실험적으로, Th와2+3+ Th 이온의 경우, 1분 이상의 등가 수명을 발견했다.[35] 이와 반대로 중성 Th 원자에서는 내부 변환 붕괴 채널이 허용되어 이등변환 수명을 갖게 되는데, 이 수명은 약 10마이크로초로 9회 감소한다.[38][36] 내부 변환 붕괴 신호 검출에 기초하여 표면이 중립인 Th 원자에 대해 2017년에 실제로 몇 마이크로초 범위의 수명이 확인되었다.[10]

2018년 실험에서는 Th의 핵 특성에 대한 레이저 스펙트럼 분석 특성화를 최초로 수행할 수 있었다.[39] 이 실험에서 Th 원자탄의 레이저 분광법은 핵 흥분 상태에 있는 이온의 2%를 가진 Th2+ 이온 구름을 이용하여 수행되었다. 이를 통해 지상의 서로 다른 핵 스핀 상태와 이항체 상태에 의해 유발되는 초미세 이동을 조사할 수 있었다. 이러한 방법으로 T의 자석 쌍극자 및 전기 4극 모멘트에 대한 첫 번째 실험 값을 유추할 수 있다.

2019년, 내부 변환 전자의[5] 직접 검출에 근거하여 이소머의 흥분 에너지가 8.28±0.17 eV로 제한되었고, 싱크로트론 방사선을 통한 29 keV 핵 흥분 상태의 흥분 상태에 의해 핵 지상 상태에서 Th의 안전 인구가 달성되었다.[40] 2020년 다른 집단에 의한 추가 측정에서는 8.10±0.17 eV(153.1±3.2nm 파장)의 수치가 나왔다.[41] 이러한 측정을 결합하면 8.12±0.11 eV의 예상 전환 에너지가 발생한다.[42]

29189.93 eV 흥분 상태는 90%의 확률로 이등분 상태로 분해된다. 두 측정 모두 핵시계의 개발을 위한 더욱 중요한 단계다. 또한 감마 분광학 실험에서 8.3 eV 에너지가 거리로부터 29189.93 eV 레벨로 분할되는 것을 확인했다.[43] 8.28 eV(150 nm)는 VUV 주파수 빗에 의한 이터비움 섬유 레이저의 7번째 고조파로서 도달 가능하다.[44][45][46] 고조파 생성을 위한 연속파 위상 일치를 사용할 수 있다.[47]

토륨-230

230th토륨방사성 동위원소로 산호의 연대와 해양 전류 유량을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이오늄은 이오늄과 토륨이 화학적으로 동일하다는 것을 깨닫기 전에 U붕괴 사슬에서 생성된 Th 동위원소에 대한 방사성 원소 연구 초기에 붙여진 이름이었다. Io라는 기호는 이 원소에 사용되었다. (이오늄-토륨 연대 측정에는 여전히 이오늄-토륨 연대 측정에서 이오늄이 사용된다.)

토륨-231

231Th는 141개의 중성자를 가지고 있다. 우라늄-235의 붕괴 산물이다. 지구상에서 매우 적은 양으로 발견되며 반감기는 25.5시간이다.[48] 해독되면 베타선을 방출하고 프로텍티늄-231을 형성한다. 붕괴에너지는 0.39MeV이다. 질량은 231.0363043g/mole이다.

토륨-232

232토륨은 토륨의 유일한 원초성 핵종으로, 토륨의 다른 동위 원소들은 우라늄과 토륨의 상대적으로 수명이 짧은 붕괴 산물로 미량에만 나타나며 사실상 모든 천연 토륨을 구성하고 있다.[49] 알파에 의해 동위원소는 지구의 세 배와 대략 우주의 나이보다 세 배 이상 많은 1.405×10년의10 반감기로 분해된다. 그것의 부패 사슬토륨 시리즈로, 결국 납-208로 끝난다. 체인의 나머지 부분은 빨라서 라듐-228의 경우 5.75년, 토륨-228의 경우 1.91년이며, 나머지 모든 반감기는 15일 미만이다.[50]

232th는 중성자흡수할 수 있는 비옥한 물질로, 토륨 연료 주기의 기초가 되는 핵분열 핵종 우라늄-233으로의 변환을 거친다.[51] 이산화 토륨 서스펜션소로트라스트의 형태로 초기 X선 진단 시 조영제로 사용됐다. 토륨-232는 현재 발암성 물질로 분류된다.[52]

토륨-233

233그것은 베타 붕괴를 통해 프로텍티늄-233으로 분해되는 토륨의 동위원소다. 반감기는 21.83분이다.[53]

토륨-234

234그것은 핵이 144개의 중성자를 포함하는 토륨동위원소다. 234그것은 반감기가 24.1일인데, 해독되면 베타 입자를 방출하고, 그렇게 함으로써 프로텍티늄-234변한다. 234Th의 질량은 234.0436 원자 질량 단위(amu)이며, 붕괴 에너지는 약 270 keV(킬로전자볼트)이다. 우라늄-238은 보통 토륨의 이 동위원소로 분해된다(희귀한 경우 대신 자연분열을 겪을 수 있지만).

참조

  1. ^ a b c Varga, Z.; Nicholl, A.; Mayer, K. (2014). "Determination of the 229Th half-life". Physical Review C. 89 (6): 064310. doi:10.1103/PhysRevC.89.064310.
  2. ^ "Standard Atomic Weights: Thorium". CIAAW. 2013.
  3. ^ Meija, Juris; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
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  13. ^ 플러스 라듐(소원 88). 실제로 서브액티늄(sub-actinide)은 액티늄(89)에 바로 앞서며, 최소 4년 이상의 반감기를 가진 핵종이 없는 폴로늄(84) 이후의 3요소 불안정성의 간격을 따른다(그 틈에서 가장 오래 사는 핵종은 반감기가 4일 미만인 라돈-222이다). 라듐이 1600년으로 가장 오래 산 동위원소는 여기에 포함시킬 가치가 있다.
  14. ^ 특히, 우라늄-235의 중성자 핵분열로부터, 예를 들어, 일반적인 원자로에서.
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    "동위원소 분석 결과 약 10개월에 걸쳐 분석한 세 가지 표본에서 질량 248종이 지속적으로 풍부하게 발견되었다. 이것은 반감기가 9[년] 이상인 Bk의248 이성질체 때문이었다. Cf의248 성장이 감지되지 않았으며, β 반감기의 하한은 약 104[년]으로 설정할 수 있다. 새로운 이성질체에 기인하는 알파 활동은 감지되지 않았다. 알파 반감기는 아마도 300[년] 이상일 것이다."
  16. ^ 이는 '불안해' 이전 최소 4년 이상의 반감기를 가진 가장 무거운 핵종이다.
  17. ^ 예를 들어, Cd의 반감기가 14년에 불과한 반면, Cd의 반감기가 8조년에 가까운 반감기를 가진 "일반적으로 안정적인" 핵종을 제외한다.
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