지르코늄 동위 원소

자연계에 존재하는 지르코늄의 안정 동위 원소는 4종이며 ⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr이 존재한다. ⁹⁴Zr은 β^-β^- 붕괴를 통해 몰리브데넘-94로 붕괴할 것으로 예상되나 아직 붕괴되는 모습은 관측되지 않았으며, 어쩌면 붕괴하지 않을 수도 있다. ⁹²Zr은 붕괴할 에너지가 존재하지 않은 안정 동위 원소들 중 가장 무거우며, 이보다 무거운 안정 동위 원소들은 약간이라도 붕괴할 수 있는 조건을 갖추게 된다.

⁹³Zr은 153만년의 반감기를 가지고 있으며, 태양계 초창기에는 많이 존재했었지만 이미 먼 과거에 다 붕괴하고, 현재는 우라늄, 토륨의 자발 핵분열 생성물로 자연계에 미량 존재한다.

⁹⁶Zr은 반감기가 2.0×10¹⁹년이며, 지르코늄의 방사성 동위 원소들 중 가장 반감기가 길다. 인공적으로 만들어진 지르코늄의 동위 원소는 ⁷⁸Zr부터 ¹¹⁰Zr까지이며 이들 중 ⁸⁹Zr은 ⁸⁹Y에 양성자를 조사해서 생성한다.

지르코늄-90

자연계의 지르코늄 동위체 중 가장 많이 존재하며 중성자 흡수율도 극도로 낮아 원자로의 피복재로 사용하도록 결정된 중요한 동위체이다.

지르코늄-93

원자로의 피복재 중 지르코늄-92의 일부가 중성자를 흡수하여 생성되며, 핵분열 생성물 중 많은 비율로 생성된다. 지르코늄-92는 중성자 흡수율이 극도로 낮아 아주 극미량만 중성자가 흡수되는데 이게 다른 원소로 바뀌지 않고 그대로 지르코늄-93으로 바뀌므로 화학적 변화가 없어 원자로 피복재가 극도로 안정되게 하는 역할을 한다.

하지만 지르코늄-92의 중성자 흡수율이 매우 낮기 때문에 피복재 내부의 지르코늄-93의 존재는 의미가 없다. 피복재 내부에서는 극미량 생성되기 때문에 의미가 없는 것이다. 그렇지만 지르코늄-93의 특성이 원자로의 피복재를 지르코늄으로 채택되도록 하게 된 동위체이기 때문에 의미가 있다.

이 동위체는 핵분열 생성물에서 매우 높은 비율로 생성되기 때문에 의미가 높다. 매년 300톤 이상이 생성된다. 다만 약한 베타붕괴로 붕괴하고 반감기가 길기 때문에 얇은 차폐막으로도 차폐가 되므로 위험한 동위체는 아니다.

지르코늄-93은 지르코늄의 다른 안정 동위체에 비해 중성자 흡수율이 매우 높다. 따라서 일정 비율이 중성자 흡수를 통해 안정 동위체인 지르코늄-94로 합성된다.

지르코늄-94

지르코늄 안정 동위 원소의 한 종류이다. 반감기가 존재할 것으로 예상해 왔었으나, 최근에는 이 동위체도 반감기가 존재하지 않고 다른 안정 동위체과 동일하게 안정할 것으로 예상되고 있다.

지르코늄-95

자연계에 존재하는 ⁹⁴Zr에 중성자를 첨가하거나, 운전중인 원자로 피복재의 안정 동위체의 ⁹⁴Zr의 일부가 중성자를 흡수하면 변하게 된다. 다만 ⁹⁴Zr의 중성자 흡수율이 극도로 낮기 때문에 거의 생성되지 않으므로 의미 없는 동위체이다. ⁹⁵Zr는 ⁹⁵Nb로 붕괴한다.

표

핵자 수	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식(s)	붕괴 생성 동위 원소	핵자 스핀	자연계에 존재하는 동위 원소의 양 (몰 분율)	자연계에 존재하는 최대 범위 (몰 분율)
	들뜬 에너지
78Zr	40	38	77.95523(54)#	50# ms [>170 ns]			0+
79Zr	40	39	78.94916(43)#	56(30) ms	β+, p	78Sr	5/2+#
					β+	79Y
80Zr	40	40	79.9404(16)	4.6(6) s	β+	80Y	0+
81Zr	40	41	80.93721(18)	5.5(4) s	β+ (>99.9%)	81Y	(3/2-)#
					β+, p (<0.1%)	80Sr
82Zr	40	42	81.93109(24)#	32(5) s	β+	82Y	0+
83Zr	40	43	82.92865(10)	41.6(24) s	β+ (>99.9%)	83Y	(1/2-)#
					β+, p (<0.1%)	82Sr
84Zr	40	44	83.92325(21)#	25.9(7) min	β+	84Y	0+
85Zr	40	45	84.92147(11)	7.86(4) min	β+	85Y	7/2+
85mZr	292.2(3) keV			10.9(3) s	IT (92%)	85Zr	(1/2-)
					β+ (8%)	85Y
86Zr	40	46	85.91647(3)	16.5(1) h	β+	86Y	0+
87Zr	40	47	86.914816(9)	1.68(1) h	β+	86Y	(9/2)+
87mZr	335.84(19) keV			14.0(2) s	IT	87Zr	(1/2)-
88Zr	40	48	87.910227(11)	83.4(3) d	ε	88Y	0+
89Zr	40	49	88.908890(4)	78.41(12) h	β+	89Y	9/2+
89mZr	587.82(10) keV			4.161(17) min	IT (93.77%)	89Zr	1/2-
					β+ (6.23%)	89Y
90Zr	40	50	89.9047044(25)	안정			0+	0.5145(40)
90m1Zr	2319.000(10) keV			809.2(20) ms	IT	90Zr	5-
90m2Zr	3589.419(16) keV			131(4) ns			8+
91Zr	40	51	90.9056458(25)	안정			5/2+	0.1122(5)
91mZr	3167.3(4) keV			4.35(14) µs			(21/2+)
92Zr	40	52	91.9050408(25)	안정			0+	0.1715(8)
93Zr	40	53	92.9064760(25)	1.53(10)×106 a	β-	93Nb	5/2+
94Zr	40	54	93.9063152(26)	관찰 안정			0+	0.1738(28)
95Zr	40	55	94.9080426(26)	64.032(6) d	β-	95Nb	5/2+
96Zr	40	56	95.9082734(30)	2.0(4)×1019 a	β-β-	96Mo	0+	0.0280(9)
97Zr	40	57	96.9109531(30)	16.744(11) h	β-	97mNb	1/2+
98Zr	40	58	97.912735(21)	30.7(4) s	β-	98Nb	0+
99Zr	40	59	98.916512(22)	2.1(1) s	β-	99mNb	1/2+
100Zr	40	60	99.91776(4)	7.1(4) s	β-	100Nb	0+
101Zr	40	61	100.92114(3)	2.3(1) s	β-	101Nb	3/2+
102Zr	40	62	101.92298(5)	2.9(2) s	β-	102Nb	0+
103Zr	40	63	102.92660(12)	1.3(1) s	β-	103Nb	(5/2-)
104Zr	40	64	103.92878(43)#	1.2(3) s	β-	104Nb	0+
105Zr	40	65	104.93305(43)#	0.6(1) s	β- (>99.9%)	105Nb
					β-, n (<0.1%)	104Nb
106Zr	40	66	105.93591(54)#	200# ms [>300 ns]	β-	106Nb	0+
107Zr	40	67	106.94075(32)#	150# ms [>300 ns]	β-	107Nb
108Zr	40	68	107.94396(64)#	80# ms [>300 ns]	β-	108Nb	0+
109Zr	40	69	108.94924(54)#	60# ms [>300 ns]
110Zr	40	70	109.95287(86)#	30# ms [>300 ns]			0+