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탄탈럼 동위 원소

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목차

1. 개요

탄탈럼은 원자 번호 73번의 원소로, 질량수가 155부터 190까지의 동위 원소를 가지고 있다. 이 중 181Ta는 자연에서 99.988%를 차지하며, 180m1Ta는 관측상 안정한 핵 이성질체로 1.2×1015년 이상의 반감기를 가진다. 대부분의 탄탈럼 동위 원소는 베타 붕괴를 통해 하프늄 동위 원소로 붕괴하며, 180Ta는 8.154(6)시간의 반감기를 갖는다. 180mTa은 관측적으로 안정적인 유일한 핵 이성질체이며, 180Ta의 반감기는 8시간이다. 180mTa의 반감기는 2.9 x 1017년으로 계산된다.

2. 탄탈럼 동위 원소 목록

기호Z
(양성자)N
(중성자)동위 원소 질량
(u)반감기핵 스핀전형적
동위 원소
구성비
(몰 분율)자연적
구성비
변동 범위
(몰 분율)들뜬 에너지155Ta7382154.97459(54)#13(4) µs(11/2-)156Ta7383155.97230(43)#144(24) ms(2-)156mTa102(7) keV0.36(4) s9+157Ta7384156.96819(22)10.1(4) ms1/2+157m1Ta22(5) keV4.3(1) ms11/2-157m2Ta1593(9) keV1.7(1) ms(25/2-)158Ta7385157.96670(22)#49(8) ms(2-)158mTa141(9) keV36.0(8) ms(9+)159Ta7386158.963018(22)1.04(9) s(1/2+)159mTa64(5) keV514(9) ms(11/2-)160Ta7387159.96149(10)1.70(20) s(2#)-160mTa310(90)# keV1.55(4) s(9)+161Ta7388160.95842(6)#3# s1/2+#161mTa50(50)# keV2.89(12) s11/2-#162Ta7389161.95729(6)3.57(12) s3+#163Ta7390162.95433(4)10.6(18) s1/2+#164Ta7391163.95353(3)14.2(3) s(3+)165Ta7392164.950773(19)31.0(15) s5/2-#165mTa60(30) keV9/2-#166Ta7393165.95051(3)34.4(5) s(2)+167Ta7394166.94809(3)1.33(7) 분(3/2+)168Ta7395167.94805(3)2.0(1) 분(2-,3+)169Ta7396168.94601(3)4.9(4) 분(5/2+)170Ta7397169.94618(3)6.76(6) 분(3)(+#)171Ta7398170.94448(3)23.3(3) 분(5/2-)172Ta7399171.94490(3)36.8(3) 분(3+)173Ta73100172.94375(3)3.14(13) 시5/2-174Ta73101173.94445(3)1.14(8) 시3+175Ta73102174.94374(3)10.5(2) 시7/2+176Ta73103175.94486(3)8.09(5) 시(1)-176m1Ta103.0(10) keV1.1(1) ms(+)176m2Ta1372.6(11)+X keV3.8(4) µs(14-)176m3Ta2820(50) keV0.97(7) ms(20-)177Ta73104176.944472(4)56.56(6) 시7/2+177m1Ta73.36(15) keV410(7) ns9/2-177m2Ta186.15(6) keV3.62(10) µs5/2-177m3Ta1355.01(19) keV5.31(25) µs21/2-177m4Ta4656.3(5) keV133(4) µs49/2-178Ta73105177.945778(16)9.31(3) 분1+178m1Ta100(50)# keV2.36(8) 시(7)-178m2Ta1570(50)# keV59(3) ms(15-)178m3Ta3000(50)# keV290(12) ms(21-)179Ta73106178.9459295(23)1.82(3) 년7/2+179m1Ta30.7(1) keV1.42(8) µs(9/2)-179m2Ta520.23(18) keV335(45) ns(1/2)+179m3Ta1252.61(23) keV322(16) ns(21/2-)179m4Ta1317.3(4) keV9.0(2) ms(25/2+)179m5Ta1327.9(4) keV1.6(4) µs(23/2-)179m6Ta2639.3(5) keV54.1(17) ms(37/2+)180Ta73107179.9474648(24)8.152(6) 시1+rowspan=2|rowspan=2|180m1Ta77.1(8) keV관측상 안정9-1.2(2)×10−4180m2Ta1452.40(18) keV31.2(14) µs15-180m3Ta3679.0(11) keV2.0(5) µs(22-)180m4Ta4171.0+X keV17(5) µs(23,24,25)181Ta73108180.9479958(20)관측상 안정7/2+0.99988(2)181m1Ta6.238(20) keV6.05(12) µs9/2-181m2Ta615.21(3) keV18(1) µs1/2+181m3Ta1485(3) keV25(2) µs21/2-181m4Ta2230(3) keV210(20) µs29/2-182Ta73109181.9501518(19)114.43(3) 일3-182m1Ta16.263(3) keV283(3) ms5+182m2Ta519.572(18) keV15.84(10) 분10-183Ta73110182.9513726(19)5.1(1) 일7/2+183mTa73.174(12) keV107(11) ns9/2-184Ta73111183.954008(28)8.7(1) 시(5-)185Ta73112184.955559(15)49.4(15) 분(7/2+)#185mTa1308(29) keV>1 ms(21/2-)186Ta73113185.95855(6)10.5(3) 분(2-,3-)186mTacolspan="3" |1.54(5) 분187Ta73114186.96053(21)#2# 분 [>300 ns]7/2+#188Ta73115187.96370(21)#20# 초 [>300 ns]189Ta73116188.96583(32)#3# 초 [>300 ns]7/2+#190Ta73117189.96923(43)#0.3# 초


2. 1. 개요

핵 이성질체인 (''m''은 준안정 상태를 나타냄)은 바닥 상태보다 더 안정적이며, 어떠한 붕괴도 ''관측된 적이 없어'' 관측적으로 안정적이라는 점에서 예외적이다. 반면 바닥 상태의 은 반감기가 8시간에 불과하다.

은 이성질체 전이를 통해 의 바닥 상태로 붕괴하거나, 베타 붕괴를 통해 으로 붕괴하거나, 전자 포획을 통해 으로 붕괴할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있다. 그러나 이러한 이론적으로 가능한 붕괴는 관측된 적이 없다. 2023년 현재, 180mTa의 반감기는 실험적 관측을 통해 최소 년(290경 년)으로 계산된다.[5][6][7] 의 매우 느린 붕괴는 높은 스핀(9 단위)과 하위 상태의 낮은 스핀에 기인한다. 감마 또는 베타 붕괴는 한 단계에서 많은 단위의 각운동량을 제거해야 하므로, 이러한 과정은 매우 느리게 진행된다.[8]

이러한 안정성 때문에, 은 자연적으로 발생하는 유일한 핵 이성질체이며, 짧은 수명의 방사성 생성 및 우주 생성 핵종을 제외하고는 원시 핵종이다. 또한, 안정 동위 원소를 가진 모든 원소에 대해 관측된 우주에서 가장 희귀한 원시 핵종이기도 하다. s-과정 별 환경에서 (3억 켈빈)에서 핵 이성질체는 완전히 열평형 상태가 될 것으로 예상되며, 이는 180Ta가 스핀 상태 사이에서 빠르게 전이하고 전체 반감기는 11시간으로 예측된다는 것을 의미한다.[9]

은 홀수 수의 양성자와 홀수 수의 중성자를 모두 가진 5개의 안정 핵종 중 하나이며, 다른 4개의 안정된 홀수-홀수 핵종은 2H, 6Li, 10B 및 14N이다.[10]

2. 2. 탄탈럼-180m

핵종 180mTa (''m''은 준안정 상태를 나타냄)는 바닥 상태보다 더 안정적인 극소수의 핵 이성질체 중 하나이다. 180mTa은 관측적으로 안정적이라는 점에서 예외적인데, 어떠한 붕괴도 ''관측된 적이 없다''. 반면, 바닥 상태 핵종 180Ta은 반감기가 단 8시간에 불과하다.[5]180mTa은 이성질체 전이를 통해 180Ta의 바닥 상태로 붕괴하거나, 베타 붕괴를 통해 텅스텐(180W)으로 붕괴하거나, 전자 포획을 통해 하프늄(180Hf)으로 붕괴하는 세 가지 방식으로 붕괴할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있다. 그러나 이러한 이론적으로 가능한 붕괴 모드로부터 방사능이 관측된 적은 없다. 2023년 현재, 180mTa의 반감기는 실험적 관측을 통해 최소 290경 년(2.9year)으로 계산된다.[5][6][7] 180mTa의 매우 느린 붕괴는 높은 스핀(9 단위)과 하위 상태의 낮은 스핀에 기인한다. 감마 또는 베타 붕괴는 한 단계에서 많은 단위의 각운동량을 제거해야 하므로, 이러한 과정은 매우 느리게 진행된다.[8]

이러한 안정성 때문에, 180mTa은 자연적으로 발생하는 유일한 핵 이성질체이며, 짧은 수명의 방사성 생성 및 우주 생성 핵종을 제외하고는 원시 핵종이다. 또한, 안정 동위 원소를 가진 모든 원소에 대해 관측된 우주에서 가장 희귀한 원시 핵종이기도 하다. s-과정 별 환경에서 열에너지에서 핵 이성질체는 완전히 열평형 상태가 될 것으로 예상되며, 이는 180Ta가 스핀 상태 사이에서 빠르게 전이하고 전체 반감기는 11시간으로 예측된다는 것을 의미한다.[9]

이는 홀수 수의 양성자와 홀수 수의 중성자를 모두 가진 5개의 안정 핵종 중 하나이며, 다른 4개의 안정된 홀수-홀수 핵종은 중수소(2H), 리튬 동위 원소#리튬-6(6Li), 붕소 동위 원소(10B) 및 질소 동위 원소#질소-14(14N)이다.[10]

2. 3. 탄탈럼 동위 원소 표

기호Z (양성자)N (중성자)동위 원소 질량 (u)반감기핵 스핀전형적
동위 원소
구성비
(몰 분율)자연적
구성비
변동 범위
(몰 분율)들뜬 에너지155Ta7382154.97459(54)#13(4) µs(11/2-)156Ta7383155.97230(43)#144(24) ms(2-)156mTa102(7) keV0.36(4) s9+157Ta7384156.96819(22)10.1(4) ms1/2+157m1Ta22(5) keV4.3(1) ms11/2-157m2Ta1593(9) keV1.7(1) ms(25/2-)158Ta7385157.96670(22)#49(8) ms(2-)158mTa141(9) keV36.0(8) ms(9+)159Ta7386158.963018(22)1.04(9) s(1/2+)159mTa64(5) keV514(9) ms(11/2-)160Ta7387159.96149(10)1.70(20) s(2#)-160mTa310(90)# keV1.55(4) s(9)+161Ta7388160.95842(6)#3# s1/2+#161mTa50(50)# keV2.89(12) s11/2-#162Ta7389161.95729(6)3.57(12) s3+#163Ta7390162.95433(4)10.6(18) s1/2+#164Ta7391163.95353(3)14.2(3) s(3+)165Ta7392164.950773(19)31.0(15) s5/2-#165mTa60(30) keV9/2-#166Ta7393165.95051(3)34.4(5) s(2)+167Ta7394166.94809(3)1.33(7) 분(3/2+)168Ta7395167.94805(3)2.0(1) 분(2-,3+)169Ta7396168.94601(3)4.9(4) 분(5/2+)170Ta7397169.94618(3)6.76(6) 분(3)(+#)171Ta7398170.94448(3)23.3(3) 분(5/2-)172Ta7399171.94490(3)36.8(3) 분(3+)173Ta73100172.94375(3)3.14(13) 시5/2-174Ta73101173.94445(3)1.14(8) 시3+175Ta73102174.94374(3)10.5(2) 시7/2+176Ta73103175.94486(3)8.09(5) 시(1)-176m1Ta103.0(10) keV1.1(1) ms(+)176m2Ta1372.6(11)+X keV3.8(4) µs(14-)176m3Ta2820(50) keV0.97(7) ms(20-)177Ta73104176.944472(4)56.56(6) 시7/2+177m1Ta73.36(15) keV410(7) ns9/2-177m2Ta186.15(6) keV3.62(10) µs5/2-177m3Ta1355.01(19) keV5.31(25) µs21/2-177m4Ta4656.3(5) keV133(4) µs49/2-178Ta73105177.945778(16)9.31(3) 분1+178m1Ta100(50)# keV2.36(8) 시(7)-178m2Ta1570(50)# keV59(3) ms(15-)178m3Ta3000(50)# keV290(12) ms(21-)179Ta73106178.9459295(23)1.82(3) 년7/2+179m1Ta30.7(1) keV1.42(8) µs(9/2)-179m2Ta520.23(18) keV335(45) ns(1/2)+179m3Ta1252.61(23) keV322(16) ns(21/2-)179m4Ta1317.3(4) keV9.0(2) ms(25/2+)179m5Ta1327.9(4) keV1.6(4) µs(23/2-)179m6Ta2639.3(5) keV54.1(17) ms(37/2+)180Ta73107179.9474648(24)8.152(6) 시1+rowspan=2|rowspan=2|180m1Ta77.1(8) keV관측상 안정9-1.2(2)×10−4180m2Ta1452.40(18) keV31.2(14) µs15-180m3Ta3679.0(11) keV2.0(5) µs(22-)180m4Ta4171.0+X keV17(5) µs(23,24,25)181Ta73108180.9479958(20)관측상 안정7/2+0.99988(2)181m1Ta6.238(20) keV6.05(12) µs9/2-181m2Ta615.21(3) keV18(1) µs1/2+181m3Ta1485(3) keV25(2) µs21/2-181m4Ta2230(3) keV210(20) µs29/2-182Ta73109181.9501518(19)114.43(3) 일3-182m1Ta16.263(3) keV283(3) ms5+182m2Ta519.572(18) keV15.84(10) 분10-183Ta73110182.9513726(19)5.1(1) 일7/2+183mTa73.174(12) keV107(11) ns9/2-184Ta73111183.954008(28)8.7(1) 시(5-)185Ta73112184.955559(15)49.4(15) 분(7/2+)#185mTa1308(29) keV>1 ms(21/2-)186Ta73113185.95855(6)10.5(3) 분(2-,3-)186mTacolspan="3" |1.54(5) 분187Ta73114186.96053(21)#2# 분 [>300 ns]7/2+#188Ta73115187.96370(21)#20# 초 [>300 ns]189Ta73116188.96583(32)#3# 초 [>300 ns]7/2+#190Ta73117189.96923(43)#0.3# 초


참조

[1] 논문 Weapons of Mass Destruction http://www.journal.a[...]
[2] 문서 Order of ground state and isomer is uncertain.
[3] 문서 One of the few (observationally) stable odd-odd nuclei
[4] 문서 Believed to undergo α decay to 177Lu
[5] 논문 Constraints on the Decay of 180mTa 2023-10-13
[6] 뉴스 Rarest nucleus reluctant to decay https://www.sciencen[...] 2016-10-03
[7] 논문 Search for the decay of nature's rarest isotope 180mTa
[8] 웹사이트 Quantum mechanics for engineers https://web1.eng.fam[...]
[9] 논문 Survival of Nature's Rarest Isotope 180Ta under Stellar Conditions
[10] 서적 Handbook of Chemistry & Physics http://www.hbcpnetba[...] CRC 2008-05-23
[11] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]
[12] 문서 약자:
ε: [[전자 포획]]
IT: [[이성질핵 전이]]
[13] 문서 굵은 글꼴은 안정 동위 원소, 굵은 기울임꼴은 감기가 우주의 나이보다 긴 동위 원소(거의 안정적)
[14] 문서 유일하게 알려진 관측상 안정적인 [[이성질핵]]이다. 이성질핵 전이를 통해 180Ta, β- 붕괴를 통해 '''''180W''''', 또는 전자 포획을 통해 '''180Hf'''로 4.82×1016년 이상의 반감기를 거쳐 붕괴할 것으로 예상된다
[15] 문서 177Lu로 붕괴할 것으로 예상된다.


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