캘리포늄 동위 원소

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캘리포늄은 자연계에서 존재하지 않기 때문에 실험실이나 원자로에서 얻고 있다.

캘리포늄-245[편집]

이 동위체는 원자로에서 생성되지 않기 때문에 실험실에서 퀴륨-242에 헬륨을 합성시켜 얻고 있으며 반감기가 45분으로 짧다.

짧은 반감기에 가속기 합성으로 얻고 있기 때문에 극소량만 얻을 수 있으며 실험용으로 이용되고 있다.

캘리포늄-248[편집]

반감기가 333.5일로 알파 붕괴하여 퀴륨-244로 붕괴한다.

캘리포늄-249[편집]

원자로에서 생성되는 동위체로 반감기는 351년이다.

열중성자 핵분열 효율이 84~86% 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 효율도 75~80%나 되기 때문에 효과적인 핵분열 연료이나 미량 생성되기 때문에 큰 의미는 없다.


원자로에서는 퀴륨-248이 중성자를 흡수하여 퀴륨-249가 된 후 버클륨-249로 붕괴하는데 이 동위체의 반감기가 330일이나 되기 때문에 대부분의 동위체는 캘리포늄-249로 붕괴하기 전에 중성자를 흡수하여 버클륨-250이 된 후 캘리포늄-250이 된다. 하지만 이러한 핵반응 순서 덕분에 캘리포늄-252가 대량 생성될 수 있는 조건이 제공된다.


임계질량은 6kg이며, 중성자 반사제를 이용하면 1.8kg까지 줄일 수 있지만 극미량 생성되기 때문에 실제 핵무기 제조는 불가능하다.

캘리포늄-250[편집]

캘리포늄 동위체 중 비교적 다량 생성되나 반감기는 13.08년으로 짧기 때문에 큰 의미는 없다.

자발 핵분열 비율이 매우 높아 위험한 핵 폐기물로 분류되며 중성자를 매우 잘 흡수하는 성질을 가지고 있어 251Cf의 합성에 이용되고 있다.

캘리포늄-251[편집]

반감기가 900년이나 되고 자발핵분열 비율도 낮아 좋은 핵연료와 핵무기 재료이지만 극미량밖에 얻는 것만이 가능하므로 이들 용도로 이용하는 것은 불가능하다.

임계질량은 5kg이며 중성자 반사제를 이용하면 1.4kg까지 줄일 수 있다. 열중성자 핵분열 효율이 68~74%, 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 71~76%로 핵분열 효율도 매우 높다. 이 동위체는 반감기가 900년이나 되기 때문에 안정적으로 보관할 수 있으며, 캘리포늄의 화학적 성질에 대해 연구하는데 중요한 동위체이다.


열중성자의 중성자 흡수율이 매우 높은데 이 특성을 통해 캘리포늄-252를 대량 생성하는데 이용되고 있다.

캘리포늄-252[편집]

반감기가 2.645년으로 매우 짧으면서 자발핵분열 비율도 3.09%로 매우 높기 때문에 많은 중성자를 내뿜는다.

이 특성을 이용하여 1ug의 극소량으로도 중성자 수분계, 의학 용도, 중성자 탐지기로 이용할 수 있다. 또한 원자로 내의 중성자 공급원으로도 이용되기도 한다.

다만 반감기가 짧기 때문에 해를 거듭할수록 방출되는 중성자의 수가 급감하므로 8~10년이 지나면 새걸로 갈아주어야 한다.

캘리포늄-250과 251의 높은 열중성자 흡수율 덕분에 이 동위체는 캘리포늄 동위 원소들 중 가장 많이 생성되는 동위체이다.


자발핵분열 비율이 높기 때문에 중성자를 흡수하면 스스로 핵분열을 하는 캘리포늄-253이 생성되므로 핵연료로도 사용할 수 있으나 다음 핵분열성 동위체인 캘리포늄-253의 반감기가 17.81일밖에 되지 않아 비효율적이다. 하지만 이 비효율적인 면이 캘리포늄-252의 반감기를 정확히 측정할 수 있도록 도움을 주었다.

퀴륨-250은 많은 자발핵분열로 인해 생성된 중성자로 캘리포늄-251이 다량 생성되는데, 이 동위체는 반감기가 길어 중성자를 맞고 충분히 핵분열을 하고 추가 중성자를 방출할 있는 시간이 주어짐에 따라 이 동위체가 본래 반감기보다 더 빨리 붕괴하게 되고 시료가 오염되므로 정확한 반감기를 측정하는데 상당히 곤란했지만, 캘리포늄-253은 반감기가 짧아 비핵분열성 동위체인 아인슈타이늄-253으로 대다수 붕괴되기 때문에 시료가 덜 오염되어 정확한 반감기를 측정할 수 있게 되었다.


다만 많은 중성자를 내뿜는 특성 때문에 캘리포늄 동위원소들 중 가장 주요시 되는 동위체이며 의학, 과학, 산업 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.

캘리포늄-253[편집]

열중성자와 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 비율이 55~65%로 상당히 훌륭한 핵연료이나 반감기가 17.81일로 매우 짧아 금방 253Es으로 붕괴되고 양도 매우 적게 생성되기 때문에 실험용으로 이용되고 있다.


캘리포늄-252의 높은 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 인해 캘리포늄-253이 생성되고 다시 중성자 폭격으로 캘리포늄-253 중 일부는 캘리포늄-254로 변환되는데 이 동위체는 대부분 자발핵분열로 붕괴하여 캘리포늄-252의 자발 핵분열성 중성자 생성에 기여하게 된다.


또한 253Es은 반감기가 20.47일로 짧아 금방 다시 핵 사이클이 시작되는 249Bk로 붕괴되는데 이러한 핵반응 과정은 캘리포늄-252가 많이 생성될 수 있는 조건을 만들어준다.

캘리포늄-254[편집]

반감기가 60.5일로 매우 짧으면서 대부분이 자발핵분열로 붕괴한다. 또한 0.31%는 알파 붕괴를 하는데 이 붕괴의 생성물도 자발핵분열을 주로 일으키는 퀴륨-250으로 붕괴한다.

원자로에서 극미량 생성되며, 캘리포늄-252 덩어리에서도 자발 핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 일부 생성되는데 이 동위체의 붕괴 방식은 캘리포늄-252의 중성자 생성과 동위체의 변환에 영향을 준다.


원자로에서 이 동위체는 극미량 생성되기는 하지만 대부분 핵분열 생성물로 붕괴하기 때문에 검출량은 미미하며, 원자로의 중성자 공급에 약간이나마 기여하는 동위체이다.

[편집]

핵종
기호
Z(p) N(n)  
동위 원소 질량 (u)
 
반감기 붕괴
방식[1][n 1]
붕괴
생성물

스핀
들뜬 에너지
237Cf 98 139 237.06207(54)# 2.1(3) s SF 다양 5/2+#
β+ 237Bk
α 233Cm
238Cf 98 140 238.06141(43)# 21.1(13) ms SF 다양 0+
β+ (드묾) 238Bk
α (드묾) 234Cm
239Cf 98 141 239.06242(23)# 60(30) s
[39(+37-12) s]
α 235Cm 5/2+#
β+ (드묾) 239Bk
240Cf 98 142 240.06230(22)# 1.06(15) min α (98%) 236Cm 0+
SF (2%) 다양
β+ (드묾) 240Bk
241Cf 98 143 241.06373(27)# 3.78(70) min β+ (75%) 241Bk 7/2-#
α (25%) 237Cm
242Cf 98 144 242.06370(4) 3.49(15) min α (80%) 238Cm 0+
β+ (20%) 242Bk
SF (0.014%) 다양
243Cf 98 145 243.06543(15)# 10.7(5) min β+ (86%) 243Bk (1/2+)
α (14%) 239Cm
244Cf 98 146 244.066001(3) 19.4(6) min α (99%) 240Cm 0+
ε (1%) 244Bk
245Cf 98 147 245.068049(3) 45.0(15) min β+ (64%) 245Bk (5/2+)
α (36%) 241Cm
246Cf 98 148 246.0688053(22) 35.7(5) h α 242Cm 0+
ε (5×10−4%) 246Bk
SF (2×10−4%) 다양
247Cf 98 149 247.071001(9) 3.11(3) h ε (99.96%) 247Bk (7/2+)#
α (0.04%) 243Cm
248Cf 98 150 248.072185(6) 333.5(28) d α (99.99%) 244Cm 0+
SF (0.0029%) 다양
249Cf 98 151 249.0748535(24) 351(2) a α 245Cm 9/2-
SF (5×10−7%) 다양
249mCf 144.98(5) keV 45(5) µs 5/2+
250Cf 98 152 250.0764061(22) 13.08(9) a α (99.92%) 246Cm 0+
SF (0.077%) 다양
251Cf[n 2] 98 153 251.079587(5) 900(40) a α 247Cm 1/2+
252Cf[n 3] 98 154 252.081626(5) 2.645(8) a α (96.9%) 248Cm 0+
SF (3.09%)[n 4] 다양
253Cf 98 155 253.085133(7) 17.81(8) d β- (99.69%) 253Es (7/2+)
α (0.31%) 249Cm
254Cf 98 156 254.087323(13) 60.5(2) d SF (99.69%) 다양 0+
α (0.31%) 250Cm
β-β- (드묾) 254Fm
255Cf 98 157 255.09105(22)# 85(18) min β- (99.99%) 255Es (7/2+)
SF (0.001%) 다양
α (10−5%) 251Cm
256Cf 98 158 256.09344(32)# 12.3(12) min SF (99%) 다양 0+
β- (1%) 256Es
α (10−6%) 252Cm
β-β- (드묾) 256Fm

주석[편집]

  1. 약자:
    ε: 전자 포획
    SF: 자발 핵분열
  2. 중성자 단면적이 높아 중성자 흡수율이 높다.
  3. 가장 흔한 동위 원소
  4. 핵분열당 평균 3.7개의 중성자를 방출한다.

같이 보기[편집]

  1. http://www.nucleonica.net/unc.aspx