가돌리늄 동위 원소

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1. 개요

가돌리늄은 자연적으로 7개의 안정 동위 원소와 2개의 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 가돌리늄의 방사성 동위 원소는 알파 붕괴를 하며, 가돌리늄-153은 의료 영상 기술에 사용된다. 가돌리늄-148은 방사성 동위원소 열전 발전기에 이상적이지만, 경제적인 합성이 어려워 실제 사용은 어렵다.

가돌리늄 동위 원소

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1. 개요
2. 동위 원소
3. 가돌리늄-148
4. 가돌리늄-153

2. 동위 원소

자연 상태에서 발견되는 가돌리늄(Gd)은 총 7가지의 동위 원소로 이루어져 있다. 이 중 ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd의 6개는 안정 동위 원소이거나 관측상 안정하여 사실상 안정한 것으로 간주된다. 나머지 하나인 ¹⁵²Gd는 방사성 동위 원소이지만, 반감기가 약 1.08 × 10¹⁴년으로 매우 길어 자연계에 미량 존재한다.

이 외에도 가돌리늄은 질량수 134에서 172에 이르는 다양한 방사성 동위 원소들이 인공적으로 합성되거나 연구되었다. 각 동위 원소의 상세한 특성, 자연 존재비, 반감기, 붕괴 방식 등은 아래 하위 섹션에 기술되어 있다.

2.1. 안정 동위 원소

자연계에 존재하는 가돌리늄은 6개의 안정 동위 원소와 1개의 방사성 동위 원소(¹⁵²Gd)로 구성된다. 안정 동위 원소는 ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd이다. 이 중 ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd는 안정 동위 원소이며, ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁶⁰Gd는 관측상 안정 동위 원소이다. 관측상 안정 동위 원소는 이론적으로는 방사성 붕괴를 할 수 있지만, 아직 붕괴가 관측되지 않아 사실상 안정으로 취급된다.

각 안정 동위 원소의 자연 존재비(몰 분율)는 다음과 같다:
* ¹⁵⁴Gd: 0.0218 (2.18%)
* ¹⁵⁵Gd: 0.1480 (14.80%)
* ¹⁵⁶Gd: 0.2047 (20.47%)
* ¹⁵⁷Gd: 0.1565 (15.65%)
* ¹⁵⁸Gd: 0.2484 (24.84%) (가장 풍부)
* ¹⁶⁰Gd: 0.2186 (21.86%)

2.2. 방사성 동위 원소

가돌리늄은 다양한 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이들 중 일부는 자연계에 미량 존재하거나 인공적으로 생성된다. 각 동위 원소는 고유한 반감기와 붕괴 방식을 가진다.

주요 방사성 동위 원소는 다음과 같다.
* ¹⁵²Gd는 매우 긴 반감기를 가진 동위 원소로, 약 1.08×10¹⁴년에 걸쳐 알파 붕괴하여 ¹⁴⁸Sm으로 변한다. 자연계에 존재하는 가돌리늄 중 약 0.2%를 차지한다.
* ¹⁵³Gd는 반감기가 240.6일이며, 전자 포획을 통해 ¹⁵³Eu으로 붕괴한다.

이 외에도 다양한 가돌리늄 방사성 동위 원소가 존재하며, 그 특성은 아래 표와 같다. 일반적으로 질량수가 작은 동위 원소들(¹³⁴Gd ~ ¹⁵¹Gd)은 주로 β⁺ 붕괴나 전자 포획을 통해 유로퓸(Eu) 동위 원소로 붕괴하는 경향을 보인다. 반면, 질량수가 큰 동위 원소들(¹⁵⁹Gd ~ ¹⁷²Gd)은 주로 β^- 붕괴를 통해 터븀(Tb) 동위 원소로 변환된다. 일부 동위 원소는 알파 붕괴, 양성자 방출, 이성질핵 전이 등 다른 붕괴 방식을 보이기도 한다.

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좌우로 밀어서 보기

핵종	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소
¹³⁴Gd	0.4 초
¹³⁵Gd	1.1 초	β⁺ (98%), β⁺, p (2%)	¹³⁵Eu, ¹³⁴Sm
¹³⁶Gd	>200 ns	β⁺?	¹³⁶Eu
¹³⁷Gd	2.2 초	β⁺, β⁺, p?	¹³⁷Eu, ¹³⁶Sm
¹³⁸Gd	4.7 초	β⁺	¹³⁸Eu
^138mGd	6.2 µs	IT	¹³⁸Gd
¹³⁹Gd	5.7 초	β⁺, β⁺, p?	¹³⁹Eu, ¹³⁸Sm
^139mGd	4.8 초	β⁺, β⁺, p?	¹³⁹Eu, ¹³⁸Sm
¹⁴⁰Gd	15.8 초	β⁺ (67%), EC (33%)	¹⁴⁰Eu
¹⁴¹Gd	14 초	β⁺ (99.97%), β⁺, p (0.03%)	¹⁴¹Eu, ¹⁴⁰Sm
^141mGd	24.5 초	β⁺ (89%), IT (11%)	¹⁴¹Eu, ¹⁴¹Gd
¹⁴²Gd	70.2 초	EC (52%), β⁺ (48%)	¹⁴²Eu
¹⁴³Gd	39 초	β⁺, β⁺, p?, β⁺, α?	¹⁴³Eu, ¹⁴²Sm, ¹³⁹Pm
^143mGd	110.0 초	β⁺, β⁺, p?, β⁺, α?	¹⁴³Eu, ¹⁴²Sm, ¹³⁹Pm
¹⁴⁴Gd	4.47 분	β⁺	¹⁴⁴Eu
^144mGd	145 ns	IT	¹⁴⁴Gd
¹⁴⁵Gd	23.0 분	β⁺	¹⁴⁵Eu
^145mGd	85 초	IT (94.3%), β⁺ (5.7%)	¹⁴⁵Gd, ¹⁴⁵Eu
¹⁴⁶Gd	48.27 일	EC	¹⁴⁶Eu
¹⁴⁷Gd	38.06 시간	β⁺	¹⁴⁷Eu
^147mGd	510 ns	IT	¹⁴⁷Gd
¹⁴⁸Gd	86.9 년	α	¹⁴⁴Sm
¹⁴⁹Gd	9.28 일	β⁺, α (4.3×10⁻⁴%)	¹⁴⁹Eu, ¹⁴⁵Sm
¹⁵⁰Gd	1.79×10⁶ 년	α	¹⁴⁶Sm
¹⁵¹Gd	123.9 일	EC, α (1.1×10⁻⁶%)	*¹⁵¹Eu, ¹⁴⁷Sm*
¹⁵²Gd	1.08×10¹⁴ 년	α	*¹⁴⁸Sm*
¹⁵³Gd	240.6 일	EC	¹⁵³Eu
^153m1Gd	3.5 µs	IT	¹⁵³Gd
^153m2Gd	76.0 µs	IT	¹⁵³Gd
^155mGd	31.97 ms	IT	¹⁵⁵Gd
^156mGd	1.3 µs	IT	¹⁵⁶Gd
^157m1Gd	460 ns	IT	¹⁵⁷Gd
^157m2Gd	18.5 µs	IT	¹⁵⁷Gd
¹⁵⁹Gd	18.479 시간	β⁻	¹⁵⁹Tb
¹⁶¹Gd	3.646 분	β⁻	¹⁶¹Tb
¹⁶²Gd	8.4 분	β⁻	¹⁶²Tb
¹⁶³Gd	68 초	β⁻	¹⁶³Tb
^163mGd	23.5 초	IT?, β⁻	¹⁶³Gd, ¹⁶³Tb
¹⁶⁴Gd	45 초	β⁻	¹⁶⁴Tb
^164mGd	589 ns	IT	¹⁶⁴Gd
¹⁶⁵Gd	11.6 초	β⁻	¹⁶⁵Tb
¹⁶⁶Gd	5.1 초	β⁻	¹⁶⁶Tb
^166mGd	950 ns	IT	¹⁶⁶Gd
¹⁶⁷Gd	4.2 초	β⁻	¹⁶⁷Tb
¹⁶⁸Gd	3.03 초	β⁻	¹⁶⁸Tb
¹⁶⁹Gd	750 ms	β⁻, β⁻, n? (<0.7%)	¹⁶⁹Tb, ¹⁶⁸Tb
¹⁷⁰Gd	675 ms	β⁻, β⁻, n? (<3%)	¹⁷⁰Tb, ¹⁶⁹Tb
¹⁷¹Gd	392 ms	β⁻, β⁻, n? (<10%)	¹⁷¹Tb, ¹⁷⁰Tb
¹⁷²Gd	163 ms	β⁻, β⁻, n? (<50%)	¹⁷²Tb, ¹⁷¹Tb

2.3. 동위 원소 표

wikitext

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좌우로 밀어서 보기

핵자 수	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소	핵 스핀	자연계에 존재하는 동위 원소 범위 (몰 분율)	자연계에 존재하는 최대 범위 (몰 분율)
핵자 수	들뜬 에너지			반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소	핵 스핀	자연계에 존재하는 동위 원소 범위 (몰 분율)	자연계에 존재하는 최대 범위 (몰 분율)
¹³⁴Gd	64	70	133.95537(43)#	0.4# s			0+
¹³⁵Gd	64	71	134.95257(54)#	1.1(2) s			3/2-
¹³⁶Gd	64	72	135.94734(43)#	1# s [>200 ns]	β⁺	¹³⁶Eu
¹³⁷Gd	64	73	136.94502(43)#	2.2(2) s	β⁺	¹³⁷Eu	7/2+#
¹³⁷Gd	64	73	136.94502(43)#	2.2(2) s	β⁺, p (드묾)	¹³⁶Sm	7/2+#
¹³⁸Gd	64	74	137.94012(21)#	4.7(9) s	β⁺	¹³⁸Eu	0+
^138mGd	2232.7(11) keV			6(1) µs			(8-)
¹³⁹Gd	64	75	138.93824(21)#	5.7(3) s	β⁺	¹³⁹Eu	9/2-#
¹³⁹Gd	64	75	138.93824(21)#	5.7(3) s	β⁺, p (드묾)	¹³⁸Sm	9/2-#
^139mGd	250(150)# keV			4.8(9) s			1/2+#
¹⁴⁰Gd	64	76	139.93367(3)	15.8(4) s	β⁺	¹⁴⁰Eu	0+
¹⁴¹Gd	64	77	140.932126(21)	14(4) s	β⁺ (99.97%)	¹⁴¹Eu	(1/2+)
¹⁴¹Gd	64	77	140.932126(21)	14(4) s	β⁺, p (0.03%)	¹⁴⁰Sm	(1/2+)
^141mGd	377.8(2) keV			24.5(5) s	β⁺ (89%)	¹⁴¹Eu	(11/2-)
^141mGd	377.8(2) keV			24.5(5) s	IT (11%)	¹⁴¹Gd	(11/2-)
¹⁴²Gd	64	78	141.92812(3)	70.2(6) s	β⁺	¹⁴²Eu	0+
¹⁴³Gd	64	79	142.92675(22)	39(2) s	β⁺	¹⁴³Eu	(1/2)+
					β⁺, α (드묾)	¹³⁹Pm
					β⁺, p (드묾)	¹⁴²Sm
^143mGd	152.6(5) keV			110.0(14) s	β⁺	¹⁴³Eu	(11/2-)
					β⁺, α (드묾)	¹³⁹Pm
					β⁺, p (드묾)	¹⁴²Sm
¹⁴⁴Gd	64	80	143.92296(3)	4.47(6) min	β⁺	¹⁴⁴Eu	0+
¹⁴⁵Gd	64	81	144.921709(20)	23.0(4) min	β⁺	¹⁴⁵Eu	1/2+
^145mGd	749.1(2) keV			85(3) s	IT (94.3%)	¹⁴⁵Gd	11/2-
^145mGd	749.1(2) keV			85(3) s	β⁺ (5.7%)	¹⁴⁵Eu	11/2-
¹⁴⁶Gd	64	82	145.918311(5)	48.27(10) d	ε	¹⁴⁶Eu	0+
¹⁴⁷Gd	64	83	146.919094(3)	38.06(12) h	β⁺	¹⁴⁷Eu	7/2-
^147mGd	8587.8(4) keV			510(20) ns			(49/2+)
¹⁴⁸Gd	64	84	147.918115(3)	74.6(30) a	α	¹⁴⁴Sm	0+
¹⁴⁸Gd	64	84	147.918115(3)	74.6(30) a	β⁺β⁺ (드묾)	*¹⁴⁸Sm*	0+
¹⁴⁹Gd	64	85	148.919341(4)	9.28(10) d	β⁺	¹⁴⁹Eu	7/2-
¹⁴⁹Gd	64	85	148.919341(4)	9.28(10) d	α (4.34×10⁻⁴%)	¹⁴⁵Sm	7/2-
¹⁵⁰Gd	64	86	149.918659(7)	1.79(8)×10⁶ a	α	¹⁴⁶Sm	0+
¹⁵⁰Gd	64	86	149.918659(7)	1.79(8)×10⁶ a	β⁺β⁺ (드묾)	¹⁵⁰Sm	0+
¹⁵¹Gd	64	87	150.920348(4)	124(1) d	ε	*¹⁵¹Eu*	7/2-
¹⁵¹Gd	64	87	150.920348(4)	124(1) d	α (10⁻⁶%)	*¹⁴⁷Sm*	7/2-
¹⁵²Gd	64	88	151.9197910(27)	1.08(8)×10¹⁴ a	α	*¹⁴⁸Sm*	0+	0.0020(1)
¹⁵³Gd	64	89	152.9217495(27)	240.4(10) d	ε	¹⁵³Eu	3/2-
^153m1Gd	95.1737(12) keV			3.5(4) µs			(9/2+)
^153m2Gd	171.189(5) keV			76.0(14) µs			(11/2-)
¹⁵⁴Gd	64	90	153.9208656(27)	안정			0+	0.0218(3)
¹⁵⁵Gd	64	91	154.9226220(27)	안정			3/2-	0.1480(12)
^155mGd	121.05(19) keV			31.97(27) ms	IT	¹⁵⁵Gd	11/2-
¹⁵⁶Gd	64	92	155.9221227(27)	안정			0+	0.2047(9)
^156mGd	2137.60(5) keV			1.3(1) µs			7-
¹⁵⁷Gd	64	93	156.9239601(27)	안정			3/2-	0.1565(2)
¹⁵⁸Gd	64	94	157.9241039(27)	안정			0+	0.2484(7)
¹⁵⁹Gd	64	95	158.9263887(27)	18.479(4) h	β^-	¹⁵⁹Tb	3/2-
¹⁶⁰Gd	64	96	159.9270541(27)	관찰 안정			0+	0.2186(19)
¹⁶¹Gd	64	97	160.9296692(29)	3.646(3) min	β^-	¹⁶¹Tb	5/2-
¹⁶²Gd	64	98	161.930985(5)	8.4(2) min	β^-	¹⁶²Tb	0+
¹⁶³Gd	64	99	162.93399(32)#	68(3) s	β^-	¹⁶³Tb	7/2+#
¹⁶⁴Gd	64	100	163.93586(43)#	45(3) s	β^-	¹⁶⁴Tb	0+
¹⁶⁵Gd	64	101	164.93938(54)#	10.3(16) s	β^-	¹⁶⁵Tb	1/2-#
¹⁶⁶Gd	64	102	165.94160(64)#	4.8(10) s	β^-	¹⁶⁶Tb	0+
¹⁶⁷Gd	64	103	166.94557(64)#	3# s	β^-	¹⁶⁷Tb	5/2-#
¹⁶⁸Gd	64	104	167.94836(75)#	300# ms	β^-	¹⁶⁸Tb	0+
¹⁶⁹Gd	64	105	168.95287(86)#	1# s	β^-	¹⁶⁹Tb	7/2-#

3. 가돌리늄-148

반감기가 86.9 ± 3.9년으로, 알파 붕괴만을 거치기 때문에 방사성 동위원소 열전 발전기에 이상적이다. 하지만 가돌리늄-148은 RTG를 구동할 만큼 충분한 양을 경제적으로 합성할 수 없다.

4. 가돌리늄-153

가돌리늄-153은 240.4 ± 10일의 반감기를 가지며, 41 keV와 102 keV에서 강한 피크를 갖는 감마선을 방출한다. 이 감마선은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.
* X선 흡수 분광법 및 형광 분석
* 골다공증 검사를 위한 골밀도 측정: 엉덩이와 등뼈에서 칼슘의 손실을 감지하여 골다공증 진단에 도움을 준다.
* Lixiscope 휴대용 X선 영상 시스템 (Lixi Profiler)의 방사선 프로파일링
* 핵의학 분야에서 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영 시스템 (SPECT) 장비 보정: 기계가 환자 내부의 방사성 동위 원소 분포 영상을 정확하게 생성하도록 보장한다.

가돌리늄-153은 유로퓸이나 농축된 가돌리늄을 원자로에서 처리하여 생성한다.