악티늄족
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1. 개요
악티늄족은 악티늄(Ac)에서 로렌슘(Lr)까지 89번부터 103번까지의 원소로 이루어진 화학 원소들의 집합이다. 이들은 란타넘족과 유사하게 5f 오비탈이 채워지면서 나타나는 일련의 원소들로, 대부분 은백색의 금속이며 높은 밀도와 가소성을 보인다. 1930년대에 엔리코 페르미에 의해 초우라늄 원소의 존재가 제안되었으며, 이후 다양한 핵 반응을 통해 인공적으로 합성되었다.
악티늄족 원소는 토륨(Th)과 우라늄(U)을 포함하여 자연에서도 소량 존재하며, 플루토늄(Pu) 등은 핵무기 및 원자력 발전에 사용된다. 이들은 다양한 산화 상태를 가지며, 화학적 성질은 란타넘족과 유사하다. 악티늄족 원소는 연기 감지기, 가스 맨틀, 합금 등 다양한 분야에 적용되지만, 강력한 방사능으로 인해 인체에 유해하며, 특히 흡입 시 치명적일 수 있다. 우라늄과 플루토늄은 메이저 악티노이드로 분류되며, 플루토늄을 제외한 초우라늄 원소들은 마이너 악티노이드로 불리며, 방사성 폐기물 처리에 중요한 고려 대상이 된다.
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| 악티늄족 | |
|---|---|
| 악티늄족 | |
 | |
| 개요 | |
| 화학 원소 | f-블록 원소 |
| 다른 이름 | 악티노이드 |
| 영어 이름 | Actinide |
| 영어 발음 | /ˈæktɪnaɪd/, /ˈæktɪnɔɪd/ |
| 원소 목록 | |
| 89 | Ac |
| 90 | Th |
| 91 | Pa |
| 92 | U |
| 93 | Np |
| 94 | Pu |
| 95 | Am |
| 96 | Cm |
| 97 | Bk |
| 98 | Cf |
| 99 | Es |
| 100 | Fm |
| 101 | Md |
| 102 | No |
| 103 | Lr |
| 특징 | |
| 상태 | 대부분 고체 페르뮴, 멘델레븀, 노벨륨은 불확실 |
| 그룹 | f-블록 |
| 생성 | |
| 자연 발생 | 악티늄, 프로탁티늄, 넵투늄, 플루토늄(미량): 붕괴 과정에서 생성 토륨, 우라늄: 원시 원소 |
| 인공 생성 | 아메리슘부터 로렌슘까지는 합성 원소 |
| 역사 | |
| 발견 | 최초 발견: 1956년 열핵 실험 파편에서 확인 (P. Fields, M. Studier, H. Diamond, J. Mech, M. Inghram, G. Pyle, C. Stevens, S. Fried, W. Manning) |
| 추가 정보 | |
| 참고 문헌 | The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe Nomenclature of Inorganic Chemistry Actinoid element The positions of lanthanum (actinium) and lutetium (lawrencium) in the periodic table: an update Provisional Report on Discussions on Group 3 of the Periodic Table Chemistry of superheavy transition metals Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris |
2. 발견, 분리와 합성
란타넘족과 마찬가지로 악티늄족 원소는 비슷한 성질을 지닌 원소군을 형성한다. 악티늄족 내에는 주기율표에서 우라늄 다음에 오는 초우라늄 원소와 플루토늄 다음에 오는 초플루토늄 원소라는 두 개의 겹치는 그룹이 있다. 대부분의 악티늄족 원소는 희귀하며, 자연에 존재하는 원소들 중에서도 토륨과 우라늄만이 미량 이상으로 존재한다. 가장 풍부하거나 쉽게 합성되는 악티늄족 원소는 우라늄과 토륨이며, 그 다음으로 플루토늄, 아메리슘, 악티늄, 프로탁티늄, 넵투늄, 퀴륨 순이다.[12]
1934년 엔리코 페르미는 자신의 실험을 바탕으로 초우라늄 원소의 존재를 제시했다.[13][14] 그러나 당시 네 가지 악티늄족 원소가 알려져 있었음에도 불구하고, 그것들이 란타넘족 원소와 유사한 족을 형성한다는 사실은 아직 이해되지 않았다. 초우라늄 원소에 대한 초기 연구를 지배했던 주된 견해는 그것들이 7주기의 일반적인 원소이며, 토륨, 프로탁티늄, 우라늄이 각각 6주기의 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐에 해당한다는 것이었다. 초우라늄 원소의 합성은 점차 이러한 관점을 훼손했다. 1944년, 퀴륨이 4보다 높은 산화 상태를 나타내지 않는다는 관찰은 글렌 시보그가 "악티늄족 가설"을 제안하도록 촉구했다. 알려진 악티늄족 원소에 대한 연구와 추가적인 초우라늄 원소의 발견은 이러한 입장을 뒷받침하는 더 많은 자료를 제공했지만, "악티늄족 가설"이라는 표현은 1950년대 후반까지 과학자들에 의해 활발하게 사용되었다.[15][16]
현재 초플루토늄 원소의 동위원소를 생산하는 두 가지 주요 방법이 있다. (1) 가벼운 원소에 중성자를 조사(照射)하는 것, (2) 가속된 하전 입자를 조사하는 것이다. 첫 번째 방법은 핵반응로를 사용한 중성자 조사만이 상당량의 합성 악티늄족 원소를 생산할 수 있게 하기 때문에 응용에 있어 더 중요하지만, 비교적 가벼운 원소로 제한된다. 두 번째 방법의 장점은 플루토늄보다 무거운 원소와 중성자 결핍 동위원소를 얻을 수 있다는 점이며, 이는 중성자 조사 중에는 형성되지 않는다.[17]
1962년~1966년 미국에서는 일련의 여섯 번의 지하 핵실험을 사용하여 초플루토늄 동위원소를 생산하려는 시도가 있었다. 폭발 생성물을 연구하기 위해 시험 직후 폭발 지역에서 소량의 암석 샘플을 추출했지만, 그러한 동위원소는 비교적 긴 반감기의 알파 붕괴를 가질 것이라는 예측에도 불구하고, 질량수가 257보다 큰 동위원소는 감지할 수 없었다. 이러한 비관측은 생성물의 속도가 빠르고 중성자 방출 및 핵분열과 같은 다른 붕괴 경로 때문인 자발 핵분열 때문이라고 여겨졌다.[18]
악티늄족의 매장량이 풍부하지 않기 때문에, 추출은 복잡하고 여러 과정을 거쳐서 얻을 수 있다. 악티늄족의 F-들이 주로 쓰이는데 그 이유는 물에 용해되지 않고 산화, 환원 반응에 의해 잘 분리되기 때문이다. F-은 칼슘, 마그네슘 또는 바륨에 의해 환원된다.[202]
초우라늄 원소의 합성에 대한 내용은 아래 표에 요약되어 있다.
| 원소 | 년도 | 방법 |
|---|---|---|
| 넵투늄 | 1940 | 238U에 중성자를 충돌시킴 |
| 플루토늄 | 1941 | 238U에 중양성자를 충돌시킴 |
| 아메리슘 | 1944 | 239Pu에 중성자를 충돌시킴 |
| 퀴륨 | 1944 | 239Pu에 α-입자를 충돌시킴 |
| 버클륨 | 1949 | 241Am에 α-입자를 충돌시킴 |
| 캘리포늄 | 1950 | 242Cm에 α-입자를 충돌시킴 |
| 아인슈타이늄 | 1952 | 핵폭발 생성물로서 |
| 페르뮴 | 1952 | 핵폭발 생성물로서 |
| 멘델레븀 | 1955 | 253Es에 α-입자를 충돌시킴 |
| 노벨륨 | 1965 | 243Am에 15N을 충돌시키거나 238U에 22Ne를 충돌시킴 |
| 로렌슘 | 1961년–1971년 | 252Cf에 10B 또는 11B를 충돌시키거나 243Am에 18O를 충돌시킴 |
2. 1. 악티늄부터 우라늄까지
마르틴 하인리히 클라프로트는 1789년에 피치블렌드 광석에서 우라늄을 발견했다.[8] 그는 8년 전에 발견된 행성 천왕성의 이름을 따서 우라늄이라고 명명했다.[8] 클라프로트는 피치블렌드를 질산에 녹이고 수산화나트륨으로 용액을 중화시켜 노란색 화합물(디우라늄산나트륨으로 추정)을 침전시켰다. 그런 다음 얻어진 노란색 분말을 숯으로 환원시켜 금속으로 잘못 생각한 검은 물질을 추출했다.[19] 60년 후, 프랑스 과학자 외젠 멜키오르 펠리고는 그것을 산화우라늄으로 확인했다. 그는 또한 사염화 우라늄을 금속 칼륨으로 가열하여 최초의 우라늄 금속 시료를 분리했다.[20]프리드리히 뵐러는 1827년에 노르웨이에서 발견된 광물 토리아나이트에서 산화 토륨을 발견했다.[23] 옌스 야코브 베르셀리우스는 1828년에 이 물질을 더 자세히 특징지었다. 그는 사염화 토륨을 칼륨으로 환원시켜 금속을 분리하고 천둥과 번개의 노르드 신인 토르의 이름을 따서 토륨이라고 명명했다.[24][25]
악티늄은 1899년 마리 퀴리의 조수였던 앙드레 루이 드비에른이 라듐과 폴로늄을 제거하고 남은 피치블렌드 폐기물에서 발견했다. 그는 1899년에 이 물질을 티타늄과 유사하다고 설명했고,[26] 1900년에는 토륨과 유사하다고 설명했다.[27]
프로트악티늄은 아마도 1900년 윌리엄 크룩스에 의해 분리되었을 것이다.[34] 그것은 카지미어 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링이 1913년에 처음 확인했다.[35][36]
2. 2. 넵투늄 이후
1934년 엔리코 페르미가 자신의 연구를 바탕으로 초우라늄 원소의 존재를 제안했다.[144][145] 1940년 캘리포니아 버클리에서 에드윈 맥밀런과 필립 H. 아벨슨이 우라늄에 느린 중성자를 충돌시켜 넵투늄을 발견했다.[169][168][170]
1941년 글렌 시보그 연구팀이 우라늄에 중양성자를 충돌시켜 플루토늄을 발견했다.[171] 1944년에는 글렌 T. 시보그, 랄프 A. 제임스, 알버트 기오르소 팀이 플루토늄에 중성자 또는 알파 입자를 충돌시켜 아메리슘과 퀴륨을 발견했다.[172][173]
1949년에는 아메리슘에 알파 입자를 충돌시켜 버클륨을, 1950년에는 퀴륨에 알파 입자를 충돌시켜 캘리포늄을 발견했다.[174][175]
1952년 "아이비 마이크" 핵실험의 부산물로 아인슈타이늄과 페르뮴이 발견되었다.[140][184][136] 1955년에는 아인슈타이늄에 알파 입자를 충돌시켜 멘델레븀을 발견했다.[188]
1965년 소련 연구팀이 우라늄에 네온을 충돌시켜 노벨륨을 발견했다.[141] 1961년–1971년에는 캘리포늄에 붕소 이온을 충돌시키거나 아메리슘에 산소를 충돌시켜 로렌슘을 발견했다.[141]
| 원소 | 년도 | 방법 |
|---|---|---|
| 넵투늄 | 1940 | 238U에 중성자 충돌. |
| 플루토늄 | 1941 | 238U에 중양성자 충돌. |
| 아메리슘 | 1944 | 239Pu에 중성자 충돌. |
| 퀴륨 | 1944 | 239Pu에 α-입자 충돌. |
| 버클륨 | 1949 | 241Am에 α-입자 충돌. |
| 캘리포늄 | 1950 | 242Cm에 α-입자 충돌. |
| 아인슈타이늄 | 1952 | 핵 폭발의 산물로 발견됨. |
| 페르뮴 | 1952 | 핵 폭발의 산물로 발견됨. |
| 멘델레븀 | 1955 | 253Es에 α-입자 충돌. |
| 노벨륨 | 1965 | 243Am에 15N 충돌. 아니면 238U에 α-입자 충돌. |
| 로렌슘 | 1961–1971 | 252Cf에 10B 또는 11B 충돌. 아니면 243Am에 18O 충돌. |
악티늄족 원소는 다양한 동위원소를 가지며, 이 중 일부는 자연에 존재하고 나머지는 인공적으로 합성된다. 2010년 기준으로 31개의 악티늄 동위 원소와 8개의 들뜬 핵 이성질체 상태, 그리고 그것의 핵종이 인식되었다.[191]
3. 동위원소
자연에 존재하는 주요 동위원소는 232Th, 235U, 238U이다. 인공적으로 합성되는 주요 동위원소는 239Pu, 241Am, 244Cm 등이다. 각 동위원소는 반감기, 붕괴 방식, 방출 에너지 등에서 차이를 보인다. 특히, 핵분열성 동위원소(235U, 239Pu 등)는 핵무기 및 원자력 발전에 사용된다.
악티늄의 동위원소는 34가지와 일부 핵종의 여기된 이성질체 상태 8가지가 알려져 있으며, 질량수는 203에서 236까지 다양하다. 225Ac, 227Ac, 228Ac 세 가지 동위원소가 자연에서 발견되었고 다른 동위원소들은 실험실에서 생산되었다. 이 세 가지 자연 동위원소만이 응용에 사용된다. 악티늄-225는 방사성 넵투늄 계열의 구성원이다.[60] 1947년 우라늄-233의 붕괴 생성물로 처음 발견되었으며, 반감기가 10일인 α 방출체이다. 악티늄-225는 악티늄-228보다 이용 가능성이 낮지만 방사 추적자 응용 분야에서 더 유망하다.[31] 악티늄-227(반감기 21.77년)은 모든 우라늄 광석에 소량 존재한다. 우라늄 1g(방사성 평형 상태)에는 227Ac이 2g만 포함되어 있다.[31] 악티늄-228은 228Ra의 붕괴로 생성되는 방사성 토륨 계열의 구성원이다.[60] 반감기가 6.15시간인 β− 방출체이다. 토륨 1톤에는 228Ac이 5g 포함되어 있다. 1906년 오토 한에 의해 발견되었다.[31]
질량수가 207에서 238까지인 토륨의 동위원소 32가지가 알려져 있다. 이 중 가장 긴 반감기를 가진 것은 232Th이며, 1.405 × 1010 년의 반감기로 인해 여전히 자연에 원시 핵종으로 존재한다. 다음으로 긴 반감기를 가진 것은 238U의 중간 붕괴 생성물인 230Th로, 반감기는 75,400년이다. 다른 여러 토륨 동위원소는 반감기가 하루 이상이며, 이들 모두 232Th, 235U, 238U의 붕괴 사슬에서 일시적으로 존재한다.
질량수가 211~239인 프로탁티늄의 동위원소는 29가지와 여기된 이성질체 상태 3가지가 알려져 있다. 자연에서 발견된 것은 231Pa과 234Pa뿐이다. 프로탁티늄-231(반감기 32,760년)을 제외하고 모든 동위원소는 짧은 수명을 가진다. 가장 중요한 동위원소는 231Pa와 233Pa이며, 후자는 우라늄-233을 얻는 중간 생성물이고 인공 프로탁티늄 동위원소 중 가장 저렴하다. 233Pa는 편리한 반감기와 γ선 에너지를 가지므로 대부분의 프로탁티늄 화학 연구에 사용되었다. 프로탁티늄-233은 반감기가 26.97일인 β 방출체이다.[95]
질량수가 215~242(220 제외)[65]인 우라늄의 동위원소는 27가지가 알려져 있다. 이 중 234U, 235U, 238U 세 가지는 자연에 상당량 존재한다. 다른 동위원소 중 가장 중요한 것은 느린 중성자에 의해 조사된 232Th의 변환 최종 생성물인 233U이다. 233U는 예를 들어 235U에 비해 저에너지(열) 중성자에 의한 핵분열 효율이 훨씬 높다. 대부분의 우라늄 화학 연구는 4.468 × 109 년의 긴 반감기 때문에 우라늄-238을 대상으로 수행되었다.[61]
질량수가 219~244(221 제외)인 넵투늄의 동위원소는 25가지가 있다.[65] 모두 강한 방사성을 띤다. 과학자들 사이에서 가장 인기 있는 것은 장수명 237Np (t1/2 = 2.20 × 106 년)과 단수명 239Np, 238Np (t1/2 ~ 2일)이다.[39]
질량수가 227~247인 플루토늄의 동위원소는 21가지가 알려져 있다.[65] 플루토늄의 가장 안정적인 동위원소는 반감기가 8.129 × 107 년인 244Pu이다.
질량수가 229~247(231 제외)[65]인 아메리슘의 동위원소는 18가지가 알려져 있다. 가장 중요한 것은 알파 방출체이며 약하지만 강한 γ선을 방출하는 241Am과 243Am이다. 두 동위원소 모두 동위원소적으로 순수한 형태로 얻을 수 있다. 아메리슘의 화학적 성질은 처음에 241Am을 이용하여 연구되었지만, 나중에 방사능이 거의 20배 낮은 243Am으로 바뀌었다. 243Am의 단점은 데이터 분석에서 고려해야 하는 단수명 딸 핵종인 239Np를 생성한다는 것이다.[62]
질량수가 233에서 251까지인 퀴륨의 동위원소는 19가지 중[65] 가장 접근하기 쉬운 것은 242Cm과 244Cm이며, α 방출체이지만 아메리슘 동위원소보다 훨씬 짧은 수명을 가진다. 이 동위원소들은 거의 γ선을 방출하지 않지만, 중성자 방출과 관련된 자발 핵분열을 일으킨다. 더 긴 수명을 가진 퀴륨의 동위원소(245–248Cm, 모두 α 방출체)는 플루토늄 또는 아메리슘의 중성자 조사 과정에서 혼합물로 생성된다. 짧은 조사 후에는 이 혼합물이 246Cm에 의해 지배되고, 그 다음 248Cm이 축적되기 시작한다. 특히 248Cm(3.48 × 105년)과 같은 이러한 동위원소는 242Cm과 244Cm보다 화학 연구를 수행하는 데 훨씬 편리하지만, 상당히 높은 자발 핵분열률을 가진다. 247Cm은 퀴륨 동위원소 중 가장 긴 수명(1.56 × 107년)을 가지지만, 열 중성자에 의해 유도되는 강한 핵분열 때문에 다량으로 생성되지 않는다.
질량수가 233, 234, 236, 238, 240~252인 버클륨의 동위원소는 17가지가 확인되었다.[65] 249Bk만이 다량으로 얻을 수 있으며, 330일의 비교적 짧은 반감기를 가지고 있으며 대부분 검출에 불편한 연한 β입자를 방출한다. 그 알파선은 비교적 약하지만(β선에 대해 1.45%), 때때로 이 동위원소를 검출하는 데 사용된다. 247Bk는 반감기가 1,380년인 알파 방출체이지만 상당량을 얻기 어렵다. 질량수가 248 미만인 퀴륨 동위원소의 β 붕괴는 알려져 있지 않기 때문에 플루토늄의 중성자 조사로는 생성되지 않는다.[62] (247Cm은 실제로 247Bk로 β 붕괴하여 에너지를 방출하지만, 이는 관찰된 적이 없다.)
질량수가 237~256인 캘리포늄의 동위원소 20가지는 원자로에서 생성된다.[65] 캘리포늄-253은 β 방출체이고 나머지는 α 방출체이다. 짝수 질량수를 가진 동위원소(250Cf, 252Cf, 254Cf)는 특히 자발 핵분열률이 높은 254Cf(99.7%가 자발 핵분열로 붕괴)를 포함하여 높다. 캘리포늄-249는 비교적 긴 반감기(352년), 약한 자발 핵분열, 식별을 용이하게 하는 강한 γ 방출을 갖는다. 249Cf는 모핵종인 249Bk의 느린 β 붕괴와 중성자와의 상호 작용의 큰 단면적 때문에 원자로에서 다량으로 생성되지 않지만, (사전 선택된) 249Bk의 β 붕괴 생성물로 동위원소적으로 순수한 형태로 축적될 수 있다. 원자로에서 플루토늄의 조사로 생성된 캘리포늄은 대부분 250Cf와 252Cf로 구성되며, 후자는 큰 중성자 플루언스에서 우세하며, 강한 중성자 방사선으로 인해 연구가 어렵다.[63]
질량수가 240에서 257까지인 아인슈타이늄의 동위원소 18가지 중[65] 가장 저렴한 것은 253Es이다. 20.47일의 반감기를 가진 α 방출체이며, 캘리포늄 동위원소에 비해 비교적 약한 γ 방출과 작은 자발 핵분열률을 갖는다. 장시간 중성자 조사는 장수명 동위원소인 254Es(t1/2 = 275.5일)도 생성한다.[63]
질량수가 241~260인 페르뮴의 동위원소 20가지가 알려져 있다. 254Fm, 255Fm, 256Fm은 짧은 반감기(시간)를 가진 α 방출체로 상당량 분리할 수 있다. 257Fm(t1/2 = 100일)은 장시간 강한 조사를 통해 축적될 수 있다. 이러한 동위원소는 모두 높은 자발 핵분열률을 특징으로 한다.[63][66]
질량수가 244에서 260까지인 멘델레븀의 동위원소 17가지 중[65] 가장 많이 연구된 것은 주로 전자 포획(α선은 약 10%)으로 붕괴하며 반감기가 77분인 256Md이다. 또 다른 알파 방출체인 258Md는 반감기가 53일이다. 이 두 동위원소 모두 희귀한 아인슈타이늄(각각 253Es와 255Es)에서 생성되므로 이용 가능성이 제한된다.
장수명 노벨륨의 동위원소와 로렌슘의 동위원소(및 더 무거운 원소)는 비교적 짧은 반감기를 가진다. 노벨륨의 경우 질량수가 249~260과 262인 동위원소 13가지가 알려져 있다. 노벨륨과 로렌슘의 화학적 성질은 255No(t1/2 = 3분)와 256Lr(t1/2 = 35초)를 사용하여 연구되었다. 가장 장수명 노벨륨 동위원소인 259No의 반감기는 약 1시간이다. 로렌슘은 질량수가 251~262, 264, 266인 동위원소 14가지가 알려져 있다. 이 중 가장 안정적인 것은 반감기가 11시간인 266Lr이다.
이들 중 미량 이상으로 검출될 수 있을 만큼 자연에 충분한 양으로 존재하고 악티늄족 원소의 원자량에 측정 가능한 기여를 하는 동위원소는 원시 동위원소인 232Th, 235U, 238U와 자연 우라늄의 세 가지 장수명 붕괴 생성물인 230Th, 231Pa, 234U이다. 자연 토륨은 0.02(2)% 230Th와 99.98(2)% 232Th로 구성되며, 자연 프로탁티늄은 100% 231Pa로 구성되며, 자연 우라늄은 0.0054(5)% 234U, 0.7204(6)% 235U, 99.2742(10)% 238U로 구성된다.[67]
그림 "악티늄족 원소 축적"은 수평축에 중성자 수(동위원소), 수직축에 양성자 수(원소)를 나타낸 핵종 표이다. 붉은 점은 핵종을 두 그룹으로 나누어 그림을 더 간결하게 만든다. 각 핵종은 원소의 질량수와 반감기를 나타내는 사각형으로 표시되어 있다.[68] 자연적으로 존재하는 악티늄족 동위원소(Th, U)는 굵은 테두리로 표시되며, 알파 붕괴는 노란색, 베타 붕괴는 파란색으로 표시된다. 분홍색은 전자 포획(236Np)을, 흰색은 장수명 준안정 상태(242Am)를 나타낸다.
악티늄족 핵종의 생성은 주로 다음과 같은 특징을 갖는다.[69]
이러한 중성자 또는 감마선 유도 핵반응 외에도, 악티늄족 핵종의 방사성 변환이 원자로 내 핵종 목록에 영향을 미친다. 이러한 붕괴 유형은 그림에서 대각선 화살표로 표시된다. 왼쪽 위를 가리키는 화살표로 표시된 베타 마이너스 붕괴는 핵종의 입자 밀도 균형에 중요한 역할을 한다. 양전자 방출(베타 플러스 붕괴) 또는 전자 포획(ϵ)에 의해 붕괴되는 핵종은 녹아웃 반응의 생성물을 제외하고는 원자로에서 발생하지 않으며, 오른쪽 아래를 가리키는 화살표로 표시된다. 주어진 핵종의 긴 반감기 때문에 알파 붕괴는 원자로 연료의 원자로 심장 내 체류 시간이 비교적 짧기 때문에(수년) 원자력 발전소에서 악티늄족 원소의 생성 및 붕괴에 거의 영향을 미치지 않는다. 예외는 비교적 반감기가 짧은 두 핵종 242Cm (T1/2 = 163 d)과 236Pu (T1/2 = 2.9 y)이다. 이 두 경우에만 알파 붕괴가 핵종 지도에서 왼쪽 아래를 가리키는 긴 화살표로 표시된다. 244Pu와 250Cm과 같이 수명이 긴 악티늄족 동위원소는 중성자 포획이 단수명 베타 붕괴 핵종인 243Pu와 249Cm을 우회할 만큼 빠르게 일어나지 않기 때문에 원자로에서 생성될 수 없다. 그러나 중성자 플럭스가 훨씬 더 높은 핵폭발에서 생성될 수 있다.
플루토늄을 제외한 초우라늄 원소 중 악티노이드에 속하는 원소들을 마이너 악티노이드라고 부른다.[128] 일반적으로 마이너 악티노이드로 분류되는 원소는 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴이다.[128] 이 중 사용후핵연료에 포함된 중요한 동위원소는 237Np, 241Am, 243Am, 242Cm부터 248Cm, 249Cf부터 252Cf이다. 이들은 강한 방사능을 가진 장수명 핵종으로, 300년에서 2만 년에 걸쳐 사용후핵연료에서 강한 방사선과 열을 발생시키기 때문에[129] 방사성폐기물 처리를 고려할 때 큰 문제가 된다.
또한, 마이너 악티노이드는 핵실험에 의한 방사성낙진에도 포함된다.
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아메리슘은 알파선원 및 감마선원으로서 산업적으로 이용되고 있으며, 예를 들어 다양한 연기 감지기에 사용된다. 아메리슘은 239Pu나 240Pu의 중성자 포획에 의해 생성된 241Pu이 베타붕괴하여 생성된다.[131] 일반적으로 중성자의 에너지가 높아질수록 핵분열 반응 단면적과 중성자 포획 단면적의 비는 핵분열이 일어나기 쉬운 방향으로 기울어진다. 따라서 MOX 핵연료를 끓는물형 경수로나 가압경수로와 같은 열중성자로에서 연소시키면 고속로보다 많은 양의 아메리슘이 생성된다.[132] 따라서 원자로급 플루토늄(reactor-grade plutonium)에는 아메리슘도 다량 포함되어 있으며, 핵무기 생산에는 적합하지 않다. 플루토늄 중 아메리슘 함량 측정은 미지의 플루토늄 시료의 기원이나 아메리슘을 화학적으로 분리한 후의 경과 시간을 아는 수단으로도 이용된다.
4. 자연에서의 분포
토륨과 우라늄은 자연에 가장 풍부하게 존재하는 악티늄족 원소로, 각각 16ppm과 4ppm의 질량 농도를 가진다.[70] 우라늄은 주로 지구 지각에서 산화물 혼합물 형태로 우라니나이트 광물에 존재하는데, 검은색을 띠어 피치블렌드(pitchblende)라고도 불린다. 우라늄 광물에는 카르노타이트(KUO2VO4·3H2O)와 오튜나이트(Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O) 등 수십 가지가 더 있다. 천연 우라늄의 동위원소 조성은 238U(상대적 존재비 99.2742%), 235U(0.7204%), 234U(0.0054%)이며, 이 중 238U의 반감기가 가장 길어 4.51 × 109년이다.[71][112] 2009년 전 세계 우라늄 생산량은 50572ton에 달했으며, 이 중 27.3%가 카자흐스탄에서 채굴되었다. 다른 주요 우라늄 생산국으로는 캐나다(20.1%), 호주(15.7%), 나미비아(9.1%), 러시아(7.0%), 니제르(6.4%)가 있다.[72]
| 광석 | 산지 | 우라늄 함량 (%) | 239Pu/광석 질량비 | 239Pu/U 비율 (×10-12) |
|---|---|---|---|---|
| 우라니나이트 | 캐나다 | 13.5 | 9.1 × 10-12 | 7.1 |
| 우라니나이트 | 콩고 | 38 | 4.8 × 10-12 | 12 |
| 우라니나이트 | 콜로라도, 미국 | 50 | 3.8 × 10-12 | 7.7 |
| 모나자이트 | 브라질 | 0.24 | 2.1 × 10-14 | 8.3 |
| 모나자이트 | 노스캐롤라이나, 미국 | 1.64 | 5.9 × 10-14 | 3.6 |
| 퍼거소나이트 | - | 0.25 | <1 × 10-14 | <4 |
| 카르노타이트 | - | 10 | <4 × 10-14 | <0.4 |
가장 풍부한 토륨 광물은 토리아나이트(ThO2), 토라이트(ThSiO4) 및 모나자이트((Th,Ca,Ce)PO4)이다. 대부분의 토륨 광물에는 우라늄이 포함되어 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이며, 모두 상당량의 란타넘족 원소를 함유하고 있다. 풍부한 토륨 광상은 미국(44만 톤), 호주와 인도(각 약 30만 톤), 캐나다(약 10만 톤)에 위치해 있다.[73]
지구 지각에서 악티늄의 풍부도는 약 5 × 10-15%에 불과하다.[95] 악티늄은 주로 우라늄 함유 광물에 존재하지만, 다른 광물에도 훨씬 적은 양으로 존재한다. 대부분의 자연 물질에서 악티늄의 함량은 모원소인 235U의 동위원소 평형에 해당하며, 약한 악티늄 이동의 영향을 받지 않는다.[31] 프로트악티늄은 지구 지각에서 악티늄보다 풍부하며(10−12%), 1913년 파얀스와 괴링에 의해 우라늄 광석에서 발견되었다.[35] 악티늄과 마찬가지로 프로트악티늄의 분포는 235U의 분포를 따른다.[95]
넵투늄의 가장 장수명 동위원소인 237Np의 반감기는 지구의 나이에 비해 무시할 만하다. 따라서 넵투늄은 다른 동위원소의 중간 붕괴 생성물로서 자연계에 무시할 만한 양으로 존재한다.[39] 우라늄 광물에서 플루토늄의 흔적은 1942년에 처음 발견되었으며, 239Pu에 대한 보다 체계적인 결과는 위의 표에 요약되어 있다(이러한 샘플에서는 다른 플루토늄 동위원소는 검출되지 않았다). 가장 장수명 플루토늄 동위원소인 244Pu의 풍부도 상한선은 3 × 10-20%이다. 달 토양 샘플에서는 플루토늄이 검출되지 않았다. 자연계에서의 희소성 때문에 대부분의 플루토늄은 합성적으로 생산된다.[105]
5. 추출
악티늄족 원소의 추출은 복잡하고 여러 단계를 거치는 과정이다. 악티늄족의 플루오린화물은 물에 녹지 않고 산화환원 반응으로 쉽게 분리되기 때문에 주로 사용된다. 플루오린화물은 칼슘, 마그네슘, 바륨 등으로 환원되어 금속을 얻는다.[74]
토륨 추출:토륨은 주로 모나자이트에서 추출한다. 피로인산 토륨(ThP2O7)을 질산과 반응시킨 후, 생성된 질산 토륨을 트리부틸 포스페이트로 처리한다. 희토류 원소 불순물은 황산 용액의 pH를 높여 분리한다.[74] 다른 방법으로는 모나자이트를 140 °C에서 45% 수산화나트륨 수용액으로 분해하는 방법이 있다. 혼합 금속 수산화물을 먼저 추출하고, 80 °C에서 여과, 물로 세척 후 진한 염산에 용해시킨다. 이후 산성 용액을 수산화물로 pH = 5.8까지 중화시켜 수산화 토륨(Th(OH)4) 침전을 얻는다. 이 침전물에는 약 3%의 희토류 수산화물이 포함되어 있으며, 나머지 희토류 수산화물은 용액에 남는다. 수산화 토륨은 무기산에 용해시킨 후 희토류 원소로부터 정제한다. 질산에 수산화 토륨을 용해시키는 방법이 효율적인데, 생성된 용액을 유기 용매로 액체-액체 추출하여 정제할 수 있기 때문이다.[74]
:Th(OH)4 + 4 HNO3 → Th(NO3)4 + 4 H2O
금속 토륨은 무수 산화물, 염화물, 플루오르화물을 불활성 분위기에서 칼슘과 반응시켜 분리한다.[110]
:ThO2 + 2 Ca → 2 CaO + Th
토륨은 염화나트륨과 염화칼륨 혼합물 속 플루오르화물을 700–800 °C에서 흑연 도가니에서 전기분해하여 추출하기도 한다. 고순도 토륨은 요오드화물을 결정봉법으로 추출할 수 있다.[76]
우라늄 추출:우라늄은 다양한 방법으로 광석에서 추출된다. 한 가지 방법은 광석을 태운 다음 질산과 반응시켜 우라늄을 용해 상태로 전환하는 것이다. 등유에 트리부틸 포스페이트(TBP) 용액으로 처리하면 우라늄이 UO2(NO3)2(TBP)2의 유기 형태로 변환된다. 불용성 불순물은 여과하고 수산화물과의 반응으로 우라늄을 (NH4)2U2O7 또는 과산화수소로 UO4·2H2O로 추출한다.[74]
우라늄 광석이 돌로마이트, 마그네사이트 등과 같이 산을 많이 소모하는 광물이 풍부한 경우, 탄산염 방법을 사용한다. 주요 성분은 탄산나트륨 수용액으로, 우라늄을 수용액에서 수산화물 이온 농도가 낮을 때 안정한 복합체 [UO2(CO3)3]4−로 전환한다. 탄산나트륨 방법의 장점은 화학 물질의 부식성이 낮고(질산염과 비교) 대부분의 비우라늄 금속이 용액에서 침전된다는 점이다. 단점은 사가 우라늄 화합물도 침전된다는 점이다. 따라서 우라늄 광석은 고온 및 산소 압력 하에서 탄산나트륨으로 처리하는 것이 효과적이다.
:2 UO2 + O2 + 6 → 2 [UO2(CO3)3]4−
탄산우라닐 처리에 가장 좋은 용매는 탄산염과 중탄산염의 혼합물이다. 높은 pH에서는 이우라늄산염 침전이 발생하며, 니켈이 존재하는 수소로 처리하여 불용성 사탄산우라늄을 생성한다.[74]
다른 분리 방법은 폴리전해질로서 중합체 수지를 사용하는 것이다. 수지에서의 이온 교환 과정으로 우라늄을 분리한다. 수지의 우라늄은 질산암모늄 또는 질산 용액으로 씻어 질산우라닐 UO2(NO3)2·6H2O를 생성한다. 가열하면 UO3로 변하고, 수소로 UO2로 전환된다.
: UO3 + H2 → UO2 + H2O
이산화우라늄을 플루오르화수소산과 반응시키면 사플루오르화우라늄으로 변하고, 마그네슘 금속과 반응하여 우라늄 금속을 생성한다.[110]
: 4 HF + UO2 → UF4 + 2 H2O
플루토늄 추출:플루토늄 추출을 위해 중성자 조사 우라늄을 질산에 용해시키고, 환원제(FeSO4 또는 H2O2)를 첨가한다. 이 첨가는 플루토늄의 산화 상태를 +6에서 +4로 변화시키는 반면, 우라늄은 질산우라닐(UO2(NO3)2) 형태로 남는다. 용액을 환원제로 처리하고 탄산암모늄으로 pH = 8로 중화시켜 Pu4+ 화합물을 침전시킨다.[74]
다른 방법으로, Pu4+와 를 먼저 트리부틸 포스페이트로 추출한 다음 히드라진으로 반응시켜 회수된 플루토늄을 씻어낸다.[74]
악티늄 추출:악티늄 분리의 주요 어려움은 란타넘과의 특성 유사성이다. 따라서 악티늄은 라듐 동위 원소의 핵 반응에서 합성되거나 이온 교환 과정을 사용하여 분리된다.[31]
마이너 악티노이드:플루토늄을 제외한 초우라늄 원소 중 악티노이드에 속하는 원소들을 마이너 악티노이드(Minor actinide) 또는 마이너 악티니드라고 부른다.[128] 일반적으로 마이너 악티노이드로 분류되는 원소는 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴이다.[128] 이 중 사용후핵연료에 포함된 중요한 동위원소는 넵투늄-237, 아메리슘-241, 아메리슘-243, 퀴륨-242부터 퀴륨-248, 캘리포늄-249부터 캘리포늄-252이다. 이들은 강한 방사능을 가진 장수명 핵종으로, 300년에서 2만 년에 걸쳐 사용후핵연료에서 강한 방사선과 열을 발생시키기 때문에[129] 방사성폐기물 처리를 고려할 때 큰 문제가 된다.
6. 성질
란타넘족과 마찬가지로 악티늄족은 할로겐, 칼코겐과 반응성이 크지만, 악티늄족이 좀 더 강하게 나타난다. 악티늄족은 5f-전자껍질 수가 적어 혼성되기 쉽다. 이는 7s, 6d 전자껍질과 5f의 전자 에너지가 비슷하기 때문이다. 대부분의 악티늄족은 다양한 원자가를 가지며, 가장 안정한 것은 우라늄 +6, 프로탁티늄과 넵투늄 +5, 토륨과 플루토늄 +4, 악티늄 외의 원소는 +3이다.[213]
화학적으로 악티늄은 란타넘과 비슷한 성질을 띠는데, 이는 이온 반지름과 전자 구조가 비슷하기 때문이다. 란타넘처럼 악티늄도 +3 산화 상태를 가지지만, 반응성이 덜하고 염기성은 더 강하다. 악티늄족 3+ 산화 상태 중 가장 산성이 약한 것은 Ac3+이며, 가수분해되는 경향이 약하다.[136][233]
우라늄은 +3에서 +6까지의 산화 상태를 가지며, +6이 가장 안정하다. +6 상태에서 우라늄은 6족 원소와 비슷하다. 우라늄(IV)과 우라늄(VI) 화합물은 비화학량론적인 경우가 많고, 다양한 구조를 가진다. 예를 들어 이산화 우라늄의 실제 화학식은 UO2+x이며, x는 -0.4에서 0.32 사이의 값을 가진다. 우라늄(VI) 화합물은 약한 산화제이다. 대부분 선형 우라닐족()을 포함하며, 4~6개의 리간드가 우라닐족에 수직인 적도면에 결합할 수 있다. 우라닐족은 산소-전자 주개 및 질소-전자 주개와 함께 굳은 산 역할을 하며 강한 착물을 형성한다. 과 도 넵투늄과 플루토늄의 +6 상태이다. 우라늄(IV) 화합물은 환원성을 띠며, 대기 중 산소에 의해 쉽게 산화된다. 우라늄(III)은 매우 강한 환원제이다. d-껍질의 존재로 우라늄(및 다른 많은 악티늄족)은 UIII(C5H5)3, UIV(C5H5)4와 같은 유기 금속 화합물을 생성한다.[233][214]
플루토늄은 +3에서 +7까지의 산화 상태를 가지며, 우라늄, 넵투늄과 화학적으로 유사하다. 반응성이 매우 커 대기 중에서 산화 피막을 형성한다. 플루토늄은 25~50°C의 낮은 온도에서도 수소와 반응하며, 할로겐화물, 금속간화합물을 형성한다. 산화 상태가 다른 플루토늄 이온은 다양한 가수분해 반응을 보인다. 플루토늄(V)은 중합 반응을 일으킬 수 있다.[243][215]
아메리슘은 악티늄족 화합물 중 가장 다양한 원자가(+2~+6)를 가진다. +2 아메리슘은 건조 화합물과 비수용액(아세토나이트릴)에서만 얻을 수 있다. +3, +5, +6 산화 상태는 수용액과 고체 상태에서 모두 발견된다. +4 아메리슘은 복합 수용액이나 안정적인 고체 화합물(이산화, 플루오린화, 수산화) 형태로 존재한다. 알칼리성 아메리슘이 +6 산화 상태로 산화될 수 있다고 보고되었으나, 이는 잘못된 것으로 입증되었다. 수용액에서 아메리슘의 가장 안정한 원자가는 +3이고, 고체 화합물에서는 +3 또는 +4이다.[216]
로렌슘까지의 원소(예외: 노벨륨)는 +3이 가장 안정하다. 퀴륨은 고체 화합물에서 +4(플루오린화, 이산화)가 가능하다. 버클륨은 +3 외에 +4 산화 상태도 보인다. +3이 안정하지만, 고체 플루오린화물과 이산화물에서는 +4를 보인다. 수용액에서 Bk4+의 안정성은 Ce4+와 비슷하다. 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴은 +3 산화 상태만 발견되었다. +2 산화 상태는 멘델레븀, 노벨륨에서 발견되었으며, 노벨륨은 +2가 +3보다 더 안정하다. 로렌슘은 수용액과 고체 화합물 모두에서 +3이 가장 안정하다.[216]
악티늄족은 An2O3, AnO2, An2O5, AnO3와 같은 산화물 형태로 존재할 수 있다. 모든 악티늄족 산화물(AnO3)은 양쪽성이고, An2O3, AnO2, An2O5는 염기성이다. 염기성 악티늄족 산화물은 물과 반응한다.[213]
: An2O3 + 3 H2O → 2 An(OH)3
이 염기성 물질은 물에 잘 녹지 않으며, 희토류 원소의 수산화물과 활동이 비슷하다. 악티늄 화합물 중 가장 강한 염기성을 나타내는 것은 악티늄이다. 악티늄 화합물은 모두 무색이지만, 황화 악티늄(Ac2S3)은 예외적으로 검은색이다.[136] +4 이산화 악티늄족의 결정 형태는 플루오린화 칼슘과 같은 입방정계이다.
6. 1. 물리적 성질
악티늄족 원소는 전형적인 금속이다. 모두 부드럽고 은색을 띠지만(공기 중에서 변색됨),[87] 밀도가 높고 연성이 있다.[87] 일부는 칼로 자를 수도 있다. 전기 저항률은 15~150 μΩ·cm이다.[82] 토륨의 경도는 연강과 비슷하여 가열된 순수한 토륨은 판으로 압연하거나 선으로 가공할 수 있다. 토륨은 우라늄과 플루토늄보다 밀도가 절반 정도이지만, 이들보다 더 단단하다. 모든 악티늄족 원소는 상자성을 띤다. 악티늄을 제외하고는 여러 가지 결정상을 갖는다. 플루토늄은 7가지, 우라늄, 넵투늄, 캘리포늄은 3가지 결정상을 갖는다. 프로탁티늄, 우라늄, 넵투늄, 플루토늄의 결정 구조는 란타넘족 원소와는 다르게 3d-전이 금속의 결정 구조와 더 유사하다.[112]모든 악티늄족 원소는 자연 발화하며, 특히 미세하게 분쇄된 경우 상온에서 공기와 반응하여 자연적으로 불이 붙는다.[87][88] 악티늄족 원소의 녹는점은 f-전자의 수에 명확하게 나타나지는 않는다. 넵투늄과 플루토늄의 비정상적으로 낮은 녹는점(~640 °C)은 5f 및 6d 궤도의 혼성화와 이러한 금속에서의 방향성 결합 형성에 의해 설명된다.[112]
6. 2. 화학적 성질
악티늄족 원소는 란타넘족 원소와 화학적 성질이 유사하다. 6d와 7s 전자껍질은 악티늄과 토륨에 존재하고, 5f 껍질은 악티늄과 토륨보다 더 큰 수의 악티늄족에 존재한다. 4f 껍질은 란타넘족에 존재한다. 악티늄족이 5f 전자라는 것을 이용한 첫 실험은 1940년 맥밀런과 아벨슨이 하였다.[80] 란타넘족과 악티늄족의 이온 반지름은 원자 번호와 함께 지속적으로 감소한다(쌓음 원리 참조).[81]| 성질 | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 핵전하 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 |
| 원자량 | [227] | 232.0377(4) | 231.03588(2) | 238.02891(3) | [237] | [244] | [243] | [247] | [247] | [251] | [252] | [257] | [258] | [259] | [266] |
| 바닥 상태 전자 배치 | 6d17s2 | 6d27s2 | 5f26d17s2 | 5f36d17s2 | 5f46d17s2 | 5f67s2 | 5f77s2 | 5f76d17s2 | 5f97s2 | 5f107s2 | 5f117s2 | 5f127s2 | 5f137s2 | 5f147s2 | 5f147s27p1 |
| 산화 상태 | 2, 3 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4, 5 | 2, 3, 4, 5, 6 | 3, 4, 5, 6, 7 | 3, 4, 5, 6, 7 | 2, 3, 4, 5, 6, 7 | 2, 3, 4, 6 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4 | 2, 3 | 2, 3 | 2, 3 | 3 |
| 금속 결합 반지름 (단위: nm) | 0.203 | 0.180 | 0.162 | 0.153 | 0.150 | 0.162 | 0.173 | 0.174 | 0.170 | 0.186 | 0.186 | ? 0.198 | ? 0.194 | ? 0.197 | ? 0.171 |
악티늄족은 전형적인 금속으로, 모두 부드럽고 은빛을 띤다(그러나 공기 중에서는 변색된다).[211] 각각 큰 밀도와 가소성이 존재하며, 일부는 칼로 자를 수도 있다. 비저항은 15에서 150 사이의 µOhm·cm이다.[207]
모든 악티늄족은 자연 발화하며(특히 완전히 분열되었을 때), 공기와 접촉할 시 자연적으로 불이 붙는다.[211] 악티늄족의 녹는점은 f-전자의 숫자와 상관성이 잘 보이지 않는다. 드물게 낮은 녹는점을 가진 넵투늄과 플루토늄(~640 °C)은 5f와 6d의 궤도 함수와 방향성 결합의 위치에 의한 혼성(混成)에 의해 낮은 녹는점이 나온다고 설명되었다.[233]
란타넘족과 같이, 모든 악티늄족은 할로겐과 칼코겐에 큰 화학적 반응을 보인다. 그러나, 악티늄족이 좀 더 강하게 나타난다. 악티늄족은 적은 수의 5f-전자껍질을 가진 족으로, 혼성되기 쉽다. 이것은 7s, 6d 전자껍질과 5f의 전자 에너지와 유사성을 가지고 있는 것을 설명한다. 대부분의 악티늄족은 원자가 형태에서 더 큰 다양성을 보인다. 그 중 가장 안정한 것은 우라늄 +6가, 프로탁티늄과 넵투늄 +5가, 토륨과 플루토늄 +4가, 그리고 악티늄 외의 원소 +3가가 있다.[213]
화학적으로 악티늄은 란타넘과 비슷한 성질을 띈다. 이것은 비슷한 크기의 이온 반지름과 전자 구조로 알 수 있다. 란타넘과 같이, 악티늄도 +3까지의 산화 상태를 가진다. 그러나 악티늄은 반응이 덜하고 더욱 확연한 염기성을 가지고 있다. 악티늄족의 3+ 산화 상태 중 가장 산성이 적은 것은 Ac3+이다. 가수분해가 약한 성질을 가지고 있다.[136][233]
우라늄은 3+에서 6+까지의 성질을 보인다. 이 중에서는 6+이 제일 안정하다. 6+ 상태에서 우라늄은 6족 원소와 비슷한 성질을 가진다. 많은 양의 우라늄(IV)과 우라늄(VI)의 화합물은 비화학적 화합물이다. 특징 중 하나는 다양한 구조를 가지고 있다는 것이다. 예를 들어, 이산화우라늄의 실제 화학식은 UO2+x이며, 상황에 따라 'x'가 −0.4와 0.32로 달라진다. 우라늄(VI) 화합물은 약한 산화제의 반응을 보인다. 대부분의 화합물은 선형 우라닐족()을 포함하고 있다. 4에서 6 사이의 리간드는 우라닐족을 수직 적도면에 수용할 수 있다. 우라닐족은 산소-전자 주개와 질소-전자 주개와 함께 굳은 산의 역할을 하며 강하고 복합적인 모습을 한다. 과 역시 넵투늄과 플루토늄의 6+ 상태이다. 우라늄(IV) 화합물은 환원적인 성질을 보이며, 대기 중의 산소에 의해 잘 산화된다. 우라늄(III)은 매우 강한 환원물이다. d-껍질로 존재하고, 우라늄(또한 많은 악티늄족)은 유기 금속 화합물이다. 대표적으로 UIII(C5H5)3과 UIV(C5H5)4이 존재한다.[233][214]
플루토늄 역시 원자가에서 3+에서 7+ 상태가 존재하며, 우라늄과 넵투늄과 화학적으로 비슷한 성질을 띈다. 매우 반응적이며, 대기에서 산화 피막을 만든다. 플루토늄은 25–50°C의 낮은 온도에서도 수소와 반응한다. 또한 할로겐화물과 금속간화합물의 형태도 띈다. 다른 산화 상태의 플루토늄 이온의 가수분해 반응은 상당히 다양하다. 플루토늄(V)은 중합 반응을 일으킬 수 있다.[243][215]
악티늄족 화합물 중 가장 다양한 것은 아메리슘이며, 2+에서 6+까지의 성질을 가진다. 2+의 아메리슘은 건조한 화합물과 비수용액(아세토나이트릴)에서만 얻을 수 있다. 산화 상태가 +3, +5, +6인 것은 전형적인 수용액에서 발견되지만, 고체 상태에도 들어있다. 4+의 아메리슘은 복합적인 수용액 또는 안정적인 고체 화합물(이산화, 플루오린화, 수산화)의 형태를 가진다. 알칼리성 아메리슘은 6+의 산화 상태로 산화할 수 있다고 보고되었지만, 이 자료들은 잘못되었다고 입증되었다. 수용액에서 아메리슘의 가장 안전한 원자가는 3+이고, 고체 화합물에서는 3+ 또는 4+이다.[216]
로렌슘까지의 원소(예외적으로 노벨륨)는 3+이 가장 안정하다. 퀴륨은 고체 화합물로 4+가 가능하고(플루오린화, 이산화), 버클륨은 3+의 성질을 따라가지만, 4+의 성질도 보인다. 3+의 성질이 안정하지만, 고체 플루오린화물, 고체 이산화물에서는 4+의 성질도 보인다. 수용액에서 Bk4+의 안정성은 Ce4+의 성질과 비슷하다. 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴에서는 오직 3+의 성질만 발견되었다. 2+의 성질은 멘델레븀과 노벨륨에서 발견되었으며, 노벨륨은 2+의 성질이 3+의 성질보다 더 안정하다는 것이 입증되었다. 로렌슘에서는 수용액, 고체 화합물 둘 다 3+의 성질이 가장 안정하다는 것을 보여주었다.[216]
어떤 악티늄족들은 An2O3, AnO2, An2O5, AnO3처럼 산화 형태로 존재할 수 있다. 모든 악티늄족과 악티늄족의 산화물(AnO3)은 양쪽성을 가지고 있고, An2O3, AnO2, An2O5는 염기성을 나타낸다. 염기성을 나타내는 악티늄족의 산화물은 물에 큰 반응을 한다.[213]
: An2O3 + 3 H2O → 2 An(OH)3
이 염기성 물질은 물에서 잘 녹지 않고, 이 물질들의 활동은 희토류 원소의 수산화물과 비슷하다. 가장 강한 염기성을 나타내는 화합물의 원소는 악티늄이다. 악티늄의 모든 화합물은 무색이지만, 황화 악티늄은 검은색으로 예외다(Ac2S3).[136] 4+ 이산화 악티늄족의 결정 형태는 입방정계이며, 플루오린화 칼슘과 같다.
악티늄족은 염과 할로겐과 큰 반응을 일으킨다. 그 반응식은 MX3과 MX4 (X = 할로겐)이다. 우라늄은 주로 육플루오린화를 하는데, 56.5 °C가 되면 승화를 한다. 이 물질의 휘발성은 기체 원심 분리기 또는 가스확산법으로 우라늄 동위원소로 분리할 수 있다. 육플루오린화 악티늄족은 무수물의 성질을 가지고 있다. 그것들은 수분에 매우 민감하며 가수분해를 한다.(AnO2F2)[228] 오염화우라늄과 흑색 육염화우라늄은 인공 합성했지만, 둘 다 불안정하다.[213]
7. 화합물
대부분의 악티늄족은 An2O3, AnO2, An2O5, AnO3 등 다양한 산화물 형태로 존재한다. 모든 악티늄족 원소의 AnO3 산화물은 양쪽성이며, An2O3, AnO2, An2O5는 염기성이다. 염기성 산화물은 물과 쉽게 반응하여 수산화물을 형성한다.[90]
: An2O3 + 3 H2O → 2 An(OH)3
이러한 수산화물은 물에 잘 녹지 않으며, 그 활성도는 희토류 원소의 수산화물과 비슷하다.[90] Pu(OH)3은 파란색, Am(OH)3은 분홍색, Cm(OH)3은 무색이다.[101] Np(OH)3는 아직 합성되지 않았고, Bk(OH)3와 Cf(OH)3, Np, Pu, Am의 4가 수산화물과 Np, Am의 5가 수산화물도 알려져 있다.[101]
가장 강한 염기는 악티늄의 염기이다. 검은색 황화 악티늄(Ac2S3)을 제외한 악티늄의 모든 화합물은 무색이다.[90] 4가 악티늄족 원소의 이산화물은 플루오린화 칼슘과 마찬가지로 입방정계에서 결정화된다.
이산화 토륨은 산소와 반응하여 이산화물만을 형성한다.
:
이산화 토륨은 알려진 산화물 중 가장 높은 녹는점(3390 °C)을 갖는 내화물이다.[99] 텅스텐에 0.8~1%의 ThO2를 첨가하면 구조가 안정화되어 도핑된 필라멘트의 진동에 대한 기계적 안정성이 향상된다. 산에 ThO2를 용해하려면 500~600 °C로 가열해야 한다. 600 °C 이상으로 가열하면 산 및 기타 시약에 매우 강한 ThO2 형태가 생성된다. 소량의 불화물 이온을 첨가하면 산에서 이산화 토륨의 용해가 촉진된다.
두 가지 프로탁티늄 산화물, PaO2(흑색)와 Pa2O5(백색)이 얻어졌다. 전자는 ThO2와 동형이며, 후자는 얻기가 더 쉽다. 두 산화물 모두 염기성이며, Pa(OH)5는 약하고 물에 잘 녹지 않는 염기이다.[90]
예를 들어, UO2(NO3)·6H2O와 같은 우라늄 염을 400 °C의 공기 중에서 분해하면 주황색 또는 노란색 UO3가 생성된다.[99] 이 산화물은 양쪽성이며 여러 수산화물을 형성하며, 가장 안정적인 것은 우라닐 수산화물 UO2(OH)2이다. 6가 우라늄 산화물을 수소와 반응시키면 이산화 우라늄이 생성되는데, 이는 ThO2와 성질이 유사하다. 이 산화물 또한 염기성이며, 우라늄 수산화물 U(OH)4에 해당한다.[90]
플루토늄, 넵투늄, 아메리슘은 두 가지 염기성 산화물인 An2O3와 AnO2를 형성한다. 삼산화넵투늄은 불안정하므로 지금까지 Np3O8만 얻을 수 있었다. 그러나 화학식 AnO2와 An2O3를 갖는 플루토늄과 넵투늄의 산화물은 잘 특성화되어 있다.[90]
| 산화 상태 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| +3 | Ac2O3 | Pu2O3 | Am2O3 | Cm2O3 | Bk2O3 | Cf2O3 | Es2O3 | ||||
| +4 | ThO2 | PaO2 | UO2 | NpO2 | PuO2 | AmO2 | CmO2 | BkO2 | CfO2 | ||
| +5 | Pa2O5 | U2O5 | Np2O5 | | | |||||||
| +5,+6 | U3O8 | | | |||||||||
| +6 | UO3 | | |
| 화학식 | ThO2 | PaO2 | UO2 | NpO2 | PuO2 | AmO2 | CmO2 | BkO2 | CfO2 | |
| CAS 등록번호 | 1314-20-1 | 12036-03-2 | 1344-57-6 | 12035-79-9 | 12059-95-9 | 12005-67-3 | 12016-67-0 | 12010-84-3 | 12015–10–0 | |
| 몰 질량 (g/mol) | 264.04 | 263.035 | 270.03 | 269.047 | 276.063 | 275.06 | 270–284** | 279.069 | 283.078 | |
| 녹는점 (°C)[100] | 3390 | 2865 | 2547 | 2400 | 2175 | |||||
| 결정 구조 |  An4+: O2−: | |||||||||
| 공간군 | Fmm | |||||||||
| 배위수 | An[8], O[4] | |||||||||
: '''An''' – 악티늄족 원소
: **동위원소에 따라 다름
7. 1. 산화물과 수산화물
악티늄족 원소는 An2O3, AnO2, An2O5, AnO3 등 다양한 산화물 형태로 존재할 수 있다. 모든 악티늄족 원소의 AnO3 산화물은 양쪽성이며, An2O3, AnO2, An2O5는 염기성이다. 염기성 산화물은 물과 쉽게 반응하여 수산화물을 형성한다.[90]: An2O3 + 3 H2O → 2 An(OH)3
이러한 수산화물은 물에 잘 녹지 않으며, 그 활성도는 희토류 원소의 수산화물과 비슷하다.[90] Np(OH)3는 아직 합성되지 않았으며, Pu(OH)3은 파란색, Am(OH)3은 분홍색, Cm(OH)3은 무색이다.[101] Bk(OH)3와 Cf(OH)3, Np, Pu, Am의 4가 수산화물과 Np, Am의 5가 수산화물도 알려져 있다.[101]
가장 강한 염기는 악티늄의 염기이다. 악티늄의 모든 화합물은 검은색 황화 악티늄(Ac2S3)을 제외하고 무색이다.[90] 4가 악티늄족 원소의 이산화물은 플루오린화 칼슘과 마찬가지로 입방정계에서 결정화된다.
이산화 토륨은 산소와 반응하여 이산화물만을 형성한다.
:
이산화 토륨은 알려진 산화물 중 가장 높은 녹는점(3390 °C)을 갖는 내화물이다.[99] 텅스텐에 0.8~1%의 ThO2를 첨가하면 구조가 안정화되어 도핑된 필라멘트의 진동에 대한 기계적 안정성이 향상된다. 산에 ThO2를 용해하려면 500~600 °C로 가열해야 한다. 600 °C 이상으로 가열하면 산 및 기타 시약에 매우 강한 ThO2 형태가 생성된다. 소량의 불화물 이온을 첨가하면 산에서 이산화 토륨의 용해가 촉진된다.
두 가지 프로탁티늄 산화물, PaO2(흑색)와 Pa2O5(백색)이 얻어졌다. 전자는 ThO2와 동형이며, 후자는 얻기가 더 쉽다. 두 산화물 모두 염기성이며, Pa(OH)5는 약하고 물에 잘 녹지 않는 염기이다.[90]
예를 들어, UO2(NO3)·6H2O와 같은 우라늄 염을 400 °C의 공기 중에서 분해하면 주황색 또는 노란색 UO3가 생성된다.[99] 이 산화물은 양쪽성이며 여러 수산화물을 형성하며, 가장 안정적인 것은 우라닐 수산화물 UO2(OH)2이다. 6가 우라늄 산화물을 수소와 반응시키면 이산화 우라늄이 생성되는데, 이는 ThO2와 성질이 유사하다. 이 산화물 또한 염기성이며, 우라늄 수산화물 U(OH)4에 해당한다.[90]
플루토늄, 넵투늄, 아메리슘은 두 가지 염기성 산화물인 An2O3와 AnO2를 형성한다. 삼산화넵투늄은 불안정하므로 지금까지 Np3O8만 얻을 수 있었다. 그러나 화학식 AnO2와 An2O3를 갖는 플루토늄과 넵투늄의 산화물은 잘 특성화되어 있다.[90]
| 산화 상태 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| +3 | Ac2O3 | Pu2O3 | Am2O3 | Cm2O3 | Bk2O3 | Cf2O3 | Es2O3 | ||||
| +4 | ThO2 | PaO2 | UO2 | NpO2 | PuO2 | AmO2 | CmO2 | BkO2 | CfO2 | ||
| +5 | Pa2O5 | U2O5 | Np2O5 | | | |||||||
| +5,+6 | U3O8 | | | |||||||||
| +6 | UO3 | | |
| 화학식 | ThO2 | PaO2 | UO2 | NpO2 | PuO2 | AmO2 | CmO2 | BkO2 | CfO2 | |
| CAS 등록번호 | 1314-20-1 | 12036-03-2 | 1344-57-6 | 12035-79-9 | 12059-95-9 | 12005-67-3 | 12016-67-0 | 12010-84-3 | 12015–10–0 | |
| 몰 질량 (g/mol) | 264.04 | 263.035 | 270.03 | 269.047 | 276.063 | 275.06 | 270–284** | 279.069 | 283.078 | |
| 녹는점 (°C)[100] | 3390 | 2865 | 2547 | 2400 | 2175 | |||||
| 결정 구조 | An4+: O2−: | |||||||||
| 공간군 | Fmm | |||||||||
| 배위수 | An[8], O[4] | |||||||||
: '''An''' – 악티늄족 원소
: **동위원소에 따라 다름
8. 적용
Actinide영어 원소는 다양한 분야에 적용된다. 아메리슘은 연기 감지기에 사용된다.[108][109] 토륨은 가스 맨틀, 합금 등에 사용된다.[110] 우라늄과 플루토늄은 핵무기 및 원자력 발전의 연료로 사용된다.[110] 악티늄-227은 중성자원으로 사용된다. 플루토늄-238은 원자력 전지에 사용된다.
악티늄족이 일상생활에 적용되는 예로는, 연기 감지기 (아메리슘)[229][230], 그리고 가스 맨틀 (토륨)이 있다.[231] 또 악티늄족은 주로 핵 무기나 핵 반응기에서 연료로 쓰인다.[231]
원자력 발전에 가장 필요하면서 가장 중요한 것은 바로 우라늄-235이다. 이것은 열중성자로에도 쓰이며, 우라늄-235는 자연적으로는 0.72%밖에 존재하지 않는다. 이 동위원소는 많은 에너지를 배출하면서 강한 힘으로 열중성자를 흡수한다. 1g의 우라늄-235가 한 번 핵분열을 했을 시의 에너지는 1일에 1MW로 변환된다. 중요한 것은, 235U은 235U가 흡수한 중성자보다 더 많은 양의 중성자를 발사한다는 것이다.[111] 임계 질량에 도달하면, 235U는 스스로 핵연쇄 반응을 하게 된다.[112] 일반적으로, 2-3개의 중성자와 함께 우라늄의 핵은 두 조각으로 나뉜다. 예시적으로:
:
우라늄-235 말고도 원자력 발전에 많이 쓰이는 것은 토륨-232와 토륨 연료 사이클에서 나온 결과물인, 우라늄-233이 많이 쓰인다.
| 핵 반응로[112][113][114] |
|---|
| 대부분의 2세대 반응로는 여러 개의 속이 빈 금속 막대를 가지고 있는데, 금속 막대는 주로 지르코늄 합금으로 만들고, 핵 연료 펠릿으로 채워져 있다. – 대부분 산화물, 탄화물, 질화물 또는 일황화우라늄, 플루토늄 또는 토륨, 또는 그것들의 혼합물(MOX 연료로도 불린다)으로 되어있다. 대표적인 연료로는 우라늄-235의 산화물이 있다. |
우라늄의 핵분열 반응 중 중성자 배출은 핵연쇄 반응에서만 중요한 것은 아니다. 중성자 배출은 더 무거운 악티늄족을 만드는 데도 중요한 역할을 한다. 우라늄-239는 β-붕괴를 거치면서 플루토늄-239로 변환된다. 우라늄-235와 같이 자발 핵분열을 할 수 있다. 세계에서 처음 만들어진 핵 반응로는 원자력 에너지를 위해서 만들어진 것이 아닌, 사실은 핵무기에 사용할 플루토늄-239를 만들기 위해서 만들어졌다.
전체 생산된 토륨의 절반은 발광하는 성질을 이용하여 가스 맨틀로 쓰인다.[110] 토륨은 또한 여러 가지 금속이 섞인 합금을 만들 수도 있다. 합금은 마그네슘과 아연으로 만들 수 있다. Mg-Th 합금은 가볍고 단단하지만, 높은 녹는점과 유연성으로 인해 항공 산업과 미사일에 폭넓게 쓰이고 있다. 또한 토륨은 긴 평균 수명과 방출에 좋은 낮은 전위 장벽, 그리고 강한 전자 방출 성질을 가지고 있다.[111] 토륨과 우라늄의 동위 원소들은 항성을 포함하여 과거의 시간대를 추측하는데 다양하게 쓰이고 있다. (연대 측정법 참조)[115]
플루토늄은 대표적으로 핵 무기에 쓰인다. 이것은 플루토늄-239 동위 원소가 핵분열할 때까지의 짧은 시간과 핵분열의 위력을 이용한 것이다. 플루토늄을 기반으로 한 설계는 우라늄-235의 임계 질량을 ⅓로 줄일 수 있다.[116] 맨해튼 계획 중에 평소보다 상당히 높은 밀도로 압축한 플루토늄의 폭발을 이용하기 위해 "팻 맨"과 같은 여러 플루토늄 폭탄이 만들어졌다. 이것은 반응을 시작하기 위함과 효율성을 높이기 위해 중앙 중성자 원과 조합되어 있다. 그러므로 TNT 기준 20kT의 수율 핵실험을 하기 위해서는 오직 6.2kg의 플루토늄만 있으면 가능하다.[117] (핵무기 설계 참조) 가설에 따르면, 적어도 4kg의 플루토늄만 있어도 핵무기를 만들 수 있는데, 이 양으로는 매우 복잡한 설계와 조립을 거친 하나의 폭탄을 만들 수도 있다.[118]
플루토늄-238은 핵반응로에서 우라늄-235보다 더 효율적인 동위 원소가 될 수 있다. 플루토늄-238은 우라늄-235보다 더욱 작은 임계 질량을 가지고 있지만 핵분열 연쇄 반응이 조종 막대에 의해 멈출 때까지 끊임없이 붕괴하여 많은 양의 열 에너지를 생산하기 때문이다.(0.56 W/g)[109][119] 이것의 용도는 한정적인데, 플루토늄-238의 가격이 비싸기 때문이다.(1g당 약 110만원) 이 동위 원소는 우주에서 인공 위성과 우주 정거장에서 열전퇴 기능과 물을 증류하는 기능에 쓰인다. 갈릴레오와 아폴로 우주선 (예: 아폴로 14호[120])에서도 킬로그램 정도의 무게인 산화플루토늄-238로 히터를 작동시켰다; 또한 이 열은 열전퇴와 함께 전기로 바뀌기도 한다. 플루토늄-238의 붕괴에서는 거의 해롭지 않은 알파 입자를 방사하고, 감마선 조사를 동반하지 않는다. 그러므로, 이 동위 원소는(~160 mg) 원자력 심장박동기의 에너지원으로 사용된다. 원자력 심장박동기에서의 에너지는 일반 배터리보다 5배 더 길다.[109]
악티늄-227은 중성자원에 사용된다. 높은 비에너지(14.5 W/g)와 열적으로 안정한 화합물의 상당량을 획득할 가능성은 오래 지속되는 열전 발전기를 원격 조정하기에 좋다.228Ac는 방사능을 화학적으로 연구할 때의 재료로 쓰이는데, 악티늄-228을 쓰는 이유는 높은 에너지를 가진 전자(2.18MeV)를 방사하고 이 전자가 쉽게 감지되기 때문이다. 228Ac-228Ra 혼합물은 산업과 의약 분야에서 강렬한 감마선원으로 폭넓게 사용된다.[31]
내구성이 좋은 결정체를 가진 비활성 매질과 악티늄족을 첨가한 자체발광 금속의 발명은 악티늄족의 활용에서 새로운 방법으로 알려지고 있다. 알파 입자를 방사하는 방사성 핵종은 빛을 받는 일부 유리와 결정에 사용된다.[121]
플루토늄을 제외한 초우라늄 원소 중 악티노이드에 속하는 원소들을 마이너 악티노이드(Minor actinide) 또는 마이너 악티니드라고 부른다.[128] 일반적으로 마이너 악티노이드로 분류되는 원소는 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴이다.[128] 이 중 사용후핵연료에 포함된 중요한 동위원소는 넵투늄-237, 아메리슘-241, 아메리슘-243, 퀴륨-242부터 퀴륨-248, 캘리포늄-249부터 캘리포늄-252이다. 이들은 강한 방사능을 가진 장수명 핵종으로, 300년에서 2만 년에 걸쳐 사용후핵연료에서 강한 방사선과 열을 발생시키기 때문에[129] 방사성폐기물 처리를 고려할 때 큰 문제가 된다.
또한, 마이너 악티노이드는 핵실험에 의한 방사성낙진에도 포함된다.
thumb
아메리슘은 알파선원 및 감마선원으로서 산업적으로 이용되고 있으며, 예를 들어 다양한 연기 감지기에 사용된다. 아메리슘은 플루토늄-239나 플루토늄-240의 중성자 포획에 의해 생성된 플루토늄-241이 베타붕괴하여 생성된다.[131] 일반적으로 중성자의 에너지가 높아질수록 핵분열 반응 단면적과 중성자 포획 단면적의 비는 핵분열이 일어나기 쉬운 방향으로 기울어진다. 따라서 MOX 연료를 끓는물형 경수로나 가압경수로와 같은 열중성자로에서 연소시키면 고속로보다 많은 양의 아메리슘이 생성된다.[132] 따라서 원자로급 플루토늄(reactor-grade plutonium)에는 아메리슘도 다량 포함되어 있으며, 핵무기 생산에는 적합하지 않다. 플루토늄 중 아메리슘 함량 측정은 미지의 플루토늄 시료의 기원이나 아메리슘을 화학적으로 분리한 후의 경과 시간을 아는 수단으로도 이용된다.
| 핵종 | 존재비 | D경수로 | D고속로 | D초열 |
|---|---|---|---|---|
| 넵투늄-237 | 0.0539 | 1.12 | -0.59 | -0.46 |
| 플루토늄-238 | 0.0364 | 0.17 | -1.36 | -0.13 |
| 플루토늄-239 | 0.451 | -0.67 | -1.46 | -1.07 |
| 플루토늄-240 | 0.206 | 0.44 | -0.96 | 0.14 |
| 플루토늄-241 | 0.121 | -0.56 | -1.24 | -0.86 |
| 플루토늄-242 | 0.0813 | 1.76 | -0.44 | 1.12 |
| 아메리슘-241 | 0.0242 | 1.12 | -0.62 | -0.54 |
| 아메리슘-242m | 0.000088 | 0.15 | -1.36 | -1.53 |
| 아메리슘-243 | 0.0179 | 0.82 | -0.60 | 0.21 |
| 퀴륨-243 | 0.00011 | -1.90 | -2.13 | -1.63 |
| 퀴륨-244 | 0.00765 | -0.15 | -1.39 | -0.48 |
| 퀴륨-245 | 0.000638 | -1.48 | -2.51 | -1.37 |
| 합계 | -0.03 | -1.16 | -0.51 | |
9. 독성
악티늄족 원소는 강한 방사능을 띠기 때문에 인체에 매우 해롭다.[31] 이들은 주로 α-선을 방출하며, 해골 표면에 축적되어 뼈를 약화시키고, 간에도 축적된다.[31] 특히 프로트악티늄은 콩팥과 뼈에 축적되며, 에어로졸 형태로 흡입될 경우 시안화수소(청산가리)의 2억 5천만 배에 달하는 독성을 가진다.[95]
플루토늄은 공기, 음식, 혈액 등을 통해 체내에 들어오면 주로 폐, 간, 뼈 등에 축적되어 장기간 손상을 일으킨다.[122] 플루토늄은 물에 잘 녹지 않아 체내에 오래 머무르며, 일부 동위원소는 α-선을 방출하여 주변 세포를 손상시킨다.[122]
10. 메이저 악티노이드
우라늄은 존재량이 압도적으로 많고, 플루토늄은 핵연료 등으로의 용도가 확립되어 있으므로, 특히 구분하여 메이저 악티노이드(Major actinide) 또는 메이저 악티니드라고 부른다.
11. 마이너 악티노이드
플루토늄을 제외한 초우라늄 원소 중 악티늄족에 속하는 원소들을 마이너 악티노이드(Minor actinide) 또는 마이너 악티니드라고 부른다.[128] 일반적으로 마이너 악티노이드로 분류되는 원소는 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴이다.[128] 이 중 사용후핵연료에 포함된 중요한 동위원소는 넵투늄-237, 아메리슘-241, 아메리슘-243, 퀴륨-242부터 퀴륨-248, 캘리포늄-249부터 캘리포늄-252이다. 이들은 강한 방사능을 가진 장수명 핵종으로, 300년에서 2만 년에 걸쳐 사용후핵연료에서 강한 방사선과 열을 발생시키기 때문에[129] 방사성폐기물 처리를 고려할 때 큰 문제가 된다.
또한, 마이너 악티노이드는 핵실험에 의한 방사성낙진에도 포함된다.
아메리슘은 알파선원 및 감마선원으로 산업적으로 이용되고 있으며, 예를 들어 다양한 연기 감지기에 사용된다. 아메리슘은 플루토늄-239나 플루토늄-240의 중성자 포획에 의해 생성된 플루토늄-241이 베타붕괴하여 생성된다.[131] 일반적으로 중성자의 에너지가 높아질수록 핵분열 반응 단면적과 중성자 포획 단면적의 비는 핵분열이 일어나기 쉬운 방향으로 기울어진다. 따라서 MOX 핵연료를 끓는물형 경수로나 가압경수로와 같은 열중성자로에서 연소시키면 고속로보다 많은 양의 아메리슘이 생성된다.[132] 따라서 원자로급 플루토늄(reactor-grade plutonium)에는 아메리슘도 다량 포함되어 있으며, 핵무기 생산에는 적합하지 않다. 플루토늄 중 아메리슘 함량 측정은 미지의 플루토늄 시료의 기원이나 아메리슘을 화학적으로 분리한 후의 경과 시간을 아는 수단으로도 이용된다.
참조
[1]
서적
The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe
https://archive.org/[...]
Black Dog & Leventhal Publishers
[2]
웹사이트
Actinoid element
https://www.britanni[...]
Encyclopædia Britannica
2018-08-01
[3]
서적
Nomenclature of Inorganic Chemistry
Royal Society of Chemistry
[4]
간행물
[5]
학술지
The positions of lanthanum (actinium) and lutetium (lawrencium) in the periodic table: an update
https://link.springe[...]
2015-01-01
[6]
학술지
Provisional Report on Discussions on Group 3 of the Periodic Table
2021-01-18
[7]
학술지
Chemistry of superheavy transition metals
2022-01-01
[8]
간행물
[9]
학술지
Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris
[10]
간행물
[11]
기타
[12]
간행물
[13]
학술지
Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92
[14]
서적
The historical development of quantum theory
https://books.google[...]
Springer
[15]
서적
Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths
Elsevier
[16]
학술지
The first isolations of the transuranium elements: A historical survey
http://www.escholars[...]
[17]
간행물
[18]
간행물
[19]
학술지
Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz
https://books.google[...]
[20]
학술지
Recherches Sur L'Uranium
http://gallica.bnf.f[...]
[21]
서적
The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements
[22]
기타
[23]
간행물
[24]
학술지
Untersuchung eines neues Minerals und einer darin erhalten zuvor unbekannten Erde (Investigation of a new mineral and of a previously unknown earth contained therein)
http://gallica.bnf.f[...]
[25]
학술지
Undersökning af ett nytt mineral (Thorit), som innehåller en förut obekant jord" (Investigation of a new mineral (thorite), as contained in a previously unknown earth)
http://ia800507.us.a[...]
[26]
학술지
Sur un nouvelle matière radio-active
http://gallica.bnf.f[...]
[27]
학술지
Sur un nouvelle matière radio-actif – l'actinium
http://gallica.bnf.f[...]
[28]
학술지
The Discovery of Actinium
[29]
학술지
The centenary of a controversial discovery: actinium
[30]
간행물
[31]
서적
Actinium
Nauka
[32]
학술지
Letters
[33]
학술지
Victor Moritz Goldschmidt (1888–1947): A Tribute to the Founder of Modern Geochemistry on the Fiftieth Anniversary of His Death
[34]
서적
Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements
https://archive.org/[...]
Oxford University Press
[35]
학술지
Über die komplexe Natur des Ur X
http://www.digizeits[...]
[36]
논문
Über das Uran X2-das neue Element der Uranreihe
[37]
서적
Greenwood
[38]
논문
Radioactive Element 93
[39]
서적
Analytical chemistry of neptunium
Nauka
[40]
서적
Hanford Site Historic District: History of the Plutonium Production Facilities, 1943–1990
http://www.osti.gov/[...]
Battelle Press
[41]
서적
The New Chemistry: A Showcase for Modern Chemistry and Its Applications
https://archive.org/[...]
Cambridge University Press
[42]
서적
Myasoedov
[43]
논문
Element 97
[44]
논문
The New Element Berkelium (Atomic Number 97)
https://digital.libr[...]
[45]
간행물
The Chemistry of Americium
http://www.osti.gov/[...]
U.S. Department of Commerce
[46]
논문
Element 97
[47]
논문
The New Element Berkelium (Atomic Number 97)
https://digital.libr[...]
[48]
논문
Element 98
http://repositories.[...]
[49]
논문
The New Element Californium (Atomic Number 98)
http://www.osti.gov/[...]
[50]
논문
Chemical Properties of Californium
http://handle.dtic.m[...]
2010-10-23
[51]
간행물
First Macroscopic Observations of the Chemical Properties of Berkelium and Californium
https://escholarship[...]
[52]
서적
The transuranium people: the inside story
Imperial College Press
[53]
논문
New Elements Einsteinium and Fermium, Atomic Numbers 99 and 100
https://digital.libr[...]
[54]
논문
Transcurium Isotopes Produced in the Neutron Irradiation of Plutonium
https://digital.libr[...]
[55]
논문
Nuclear Properties of Some Isotopes of Californium, Elements 99 and 100
[56]
논문
Einsteinium and Fermium
http://pubs.acs.org/[...]
[57]
논문
New Element Mendelevium, Atomic Number 101
https://books.google[...]
[58]
서적
Myasoedov
[59]
기타
[60]
서적
Greenwood
[61]
서적
Analytical chemistry of uranium
Publisher USSR Academy of Sciences
[62]
서적
Myasoedov
[63]
서적
Myasoedov
[64]
서적
Myasoedov
[65]
웹사이트
Table of nuclides, IAEA
http://www-nds.iaea.[...]
2010-07-07
[66]
웹사이트
Table of elements, compounds, isotopes
http://elm.e-science[...]
2010-07-07
[67]
웹사이트
Standard Atomic Weights 2013
http://www.ciaaw.org[...]
[68]
논문
JANIS 4: An Improved Version of the NEA Java-based Nuclear Data Information System
Elsevier BV
[69]
간행물
Reactor fuel isotopics and code validation for nuclear applications
https://info.ornl.go[...]
ORNL/TM-2014/464, Oak Ridge, Tennessee
[70]
서적
Standard handbook of environmental science, health, and technology
https://books.google[...]
McGraw-Hill Professional
[71]
reference
RubberBible86th
[72]
웹사이트
World Uranium Mining
http://www.world-nuc[...]
World Nuclear Association
2010-06-11
[73]
웹사이트
Thorium
http://minerals.usgs[...]
USGS Mineral Commodities
[74]
reference
Golub
[75]
reference
Greenwood
[76]
논문
Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall
[77]
논문
Position of Lanthanum in the Periodic Table
1965
[78]
논문
Actinium coordination chemistry: A density functional theory study with monodentate and bidentate ligands
2023
[79]
서적
The Periodic Law
https://www.rsc.org/[...]
The Royal Society of Chemistry
1984
[80]
서적
Short Chemical Encyclopedia
Soviet Encyclopedia
[81]
reference
Golub
[82]
reference
Greenwood
[83]
서적
Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements
Oxford University Press
[84]
잡지
Uranium displays rare type of radioactivity
https://web.archive.[...]
1991-12-07
[85]
reference
Greenwood
[86]
논문
Formation of volatile curium(VI) trioxide CmO3
http://link.springer[...]
2011-10
[87]
reference
Greenwood
[88]
웹사이트
General Properties and Reactions of the Actinides
https://chem.librete[...]
LibreTexts
2015-05-22
[89]
reference
Myasoedov
[90]
reference
Golub
[91]
reference
Greenwood
[92]
서적
Analytical chemistry of plutonium
https://archive.org/[...]
Nauka
[93]
reference
Myasoedov
[94]
논문
Chelation and stabilization of berkelium in oxidation state +IV
http://www.escholars[...]
2017-09
[95]
서적
Analytical chemistry of protactinium
Nauka
[96]
reference
Myasoedov
[97]
웹사이트
Соединения curium site XuMuK.ru
http://www.xumuk.ru/[...]
2010-07-11
[98]
reference
The atmosphere during the synthesis affects the lattice parameters, which might be due to non-stoichiometry as a result of oxidation or reduction of the trivalent californium. Main form is the cubic oxide of californium(III).
[99]
reference
Greenwood
[100]
서적
The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (Set Vol.1–6)
https://books.google[...]
Springer
[101]
서적
Structural Chemistry of Inorganic Actinide Compounds
Elsevier
[102]
reference
Greenwood
[103]
웹사이트
Таблица Inorganic and Coordination compounds
http://chemanalytica[...]
2010-07-11
[104]
reference
Myasoedov
[105]
서적
The Chemistry of the Actinide Elements
Mir
[106]
논문
Magnetic properties of actinide elements having the 5f6 and 5f7 electronic configurations
[107]
서적
[108]
웹사이트
Smoke Detectors and Americium
https://web.archive.[...]
Nuclear Issues Briefing Paper 35
2002-05-01
[109]
서적
[110]
서적
[111]
서적
[112]
서적
Non-organic chemistry in three volumes
Academy
[113]
서적
Basic theories and methods of calculation of nuclear reactors
Energoatomizdat
[114]
서적
[115]
논문
Universal Alchemy
http://www.vokrugsve[...]
[116]
서적
Exploring Chemical Elements and their Compounds
TAB Books
[117]
서적
The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions
https://fas.org/sgp/[...]
Los Alamos
1985-09-01
[118]
웹사이트
Nuclear Weapon Design
https://fas.org/nuke[...]
Federation of American Scientists
[119]
웹사이트
Nuclear Weapons Design & Materials
https://web.archive.[...]
Project on Managing the Atom (MTA) for NTI
2002-11-25
[120]
웹사이트
Apollo 14 Press Kit – 01/11/71
http://www.hq.nasa.g[...]
NASA
1971-01-11
[121]
서적
Crystalline Materials for Actinide Immobilisation
https://books.google[...]
World Scientific
[122]
서적
Plutonium
VNIIEF
[123]
서적
An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation
https://books.google[...]
Elsevier
[124]
서적
The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe
Black Dog & Leventhal Publishers
[125]
웹사이트
Actinide element
http://www.britannic[...]
Encyclopædia Britannica on-line
[126]
일반
[127]
서적
Nomenclature of Inorganic Chemistry
https://books.google[...]
Royal Society of Chemistry
[128]
서적
Ion Exchange and Solvent Extraction: A Series of Advances, Volume 19
https://books.google[...]
CRC Press
[129]
서적
Nuclear Reactor Physics
https://books.google[...]
John Wiley & Sons
[130]
논문
Neutron and Gamma Ray Source Evaluation of LWR High Burn-up UO2 and MOX Spent Fuels
https://doi.org/10.1[...]
2004-04-01
[131]
서적
Advanced Inorganic Chemistry Vol-1, 31st ed.
https://books.google[...]
Krishna Prakashan Media
[132]
논문
Transmutation characteristics in thermal and fast neutron spectra: application to americium
http://nucleonica.co[...]
[133]
서적
Nuclear fuel cycles for mid-century development
https://hdl.handle.n[...]
MIT
[134]
서적
세계에서 가장 아름다운 원소 도감
[135]
서적
The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe
Black Dog & Leventhal Publishers
[136]
웹사이트
Actinide element
http://www.britannic[...]
Encyclopædia Britannica on-line
[137]
일반
[138]
서적
Nomenclature of Inorganic Chemistry
https://books.google[...]
Royal Society of Chemistry
[139]
서적
[140]
논문
Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris
[141]
서적
[142]
일반
[143]
서적
[144]
저널
Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92
[145]
서적
The historical development of quantum theory
https://books.google[...]
Springer
2011-06-19
[146]
서적
Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths
Elsevier
[147]
저널
The first isolations of the transuranium elements: A historical survey
[148]
서적
[149]
서적
[150]
저널
Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz
https://books.google[...]
[151]
저널
Recherches Sur L'Uranium
http://gallica.bnf.f[...]
[152]
서적
The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements
[153]
저널
[154]
서적
[155]
저널
Untersuchung eines neues Minerals und einer darin erhalten zuvor unbekannten Erde (Investigation of a new mineral and of a previously unknown earth contained therein)
http://gallica.bnf.f[...]
[156]
저널
Undersökning af ett nytt mineral (Thorit), som innehåller en förut obekant jord" (Investigation of a new mineral (thorite), as contained in a previously unknown earth)
[157]
저널
Sur un nouvelle matière radio-active
http://gallica.bnf.f[...]
[158]
저널
Sur un nouvelle matière radio-actif – l'actinium
http://gallica.bnf.f[...]
[159]
저널
The Discovery of Actinium
[160]
저널
The centenary of a controversial discovery: actinium
[161]
서적
[162]
서적
Actinium
Nauka
[163]
저널
Letters
[164]
저널
Victor Moritz Goldschmidt (1888–1947): A Tribute to the Founder of Modern Geochemistry on the Fiftieth Anniversary of His Death
[165]
서적
Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements
https://books.google[...]
Oxford University Press
[166]
저널
Über die komplexe Natur des Ur X
http://www.digizeits[...]
[167]
저널
Über das Uran X2-das neue Element der Uranreihe
[168]
서적
[169]
저널
Radioactive Element 93
[170]
서적
Analytical chemistry of neptunium
Nauka
[171]
저널
The Development of the first chain reaction pile
[172]
서적
The New Chemistry: A Showcase for Modern Chemistry and Its Applications
https://books.google[...]
Cambridge University Press
[173]
서적
[174]
저널
Element 97
[175]
저널
The New Element Berkelium (Atomic Number 97)
[176]
서적
The Chemistry of Americium
http://www.osti.gov/[...]
U.S. Department of Commerce
[177]
저널
Element 97
[178]
저널
The New Element Berkelium (Atomic Number 97)
[179]
저널
Element 98
http://repositories.[...]
[180]
저널
The New Element Californium (Atomic Number 98)
http://www.osti.gov/[...]
[181]
저널
Chemical Properties of Californium
http://handle.dtic.m[...]
2016-06-01
[182]
간행물
First Macroscopic Observations of the Chemical Properties of Berkelium and Californium
[183]
서적
The transuranium people: the inside story
Imperial College Press
[184]
저널
New Elements Einsteinium and Fermium, Atomic Numbers 99 and 100
[185]
저널
Transcurium Isotopes Produced in the Neutron Irradiation of Plutonium
[186]
저널
Nuclear Properties of Some Isotopes of Californium, Elements 99 and 100
[187]
저널
Einsteinium and Fermium
http://pubs.acs.org/[...]
[188]
저널
New Element Mendelevium, Atomic Number 101
https://books.google[...]
[189]
서적
(불명)
[190]
기타
[191]
저널
The Nubase evaluation of nuclear and decay properties
http://amdc.in2p3.fr[...]
2010-07-05
[192]
서적
(불명)
[193]
서적
Analytical chemistry of uranium
Publisher USSR Academy of Sciences
[194]
서적
(불명)
[195]
서적
(불명)
[196]
서적
(불명)
[197]
웹인용
Table of nuclides, IAEA
http://www-nds.iaea.[...]
2010-07-07
[198]
웹인용
Table of elements, compounds, isotopes
http://elm.e-science[...]
2010-07-07
[199]
서적
Standard handbook of environmental science, health, and technology
https://books.google[...]
McGraw-Hill Professional
[200]
웹인용
World Uranium Mining
http://www.world-nuc[...]
World Nuclear Association
2010-06-11
[201]
보고서
Thorium
http://minerals.usgs[...]
USGS Mineral Commodities
[202]
서적
(불명)
[203]
서적
(불명)
[204]
저널
Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall
[205]
서적
Short Chemical Encyclopedia
Soviet Encyclopedia
[206]
서적
(불명)
[207]
서적
(불명)
[208]
서적
Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements
https://archive.org/[...]
Oxford University Press
[209]
뉴스
Uranium displays rare type of radioactivity
http://findarticles.[...]
Science News
1991-12-07
[210]
서적
(불명)
[211]
서적
[212]
서적
[213]
서적
[214]
서적
[215]
서적
Analytical chemistry of plutonium
Nauka
[216]
서적
[217]
서적
Analytical chemistry of protactinium
Nauka
[218]
서적
[219]
웹사이트
Соединения curium site XuMuK.ru
http://www.xumuk.ru/[...]
2010-07-11
[220]
일반
[221]
서적
[222]
서적
The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (Set Vol.1–6)
https://books.google[...]
Springer
[223]
서적
[224]
웹사이트
Таблица Inorganic and Coordination compounds
http://chemanalytica[...]
2010-07-11
[225]
서적
[226]
서적
The Chemistry of the Actinide Elements
Mir
[227]
저널
Magnetic properties of actinide elements having the 5f6 and 5f7 electronic configurations
[228]
서적
[229]
웹사이트
Smoke Detectors and Americium
https://web.archive.[...]
Nuclear Issues Briefing Paper 35
2002-05
[230]
서적
[231]
서적
[232]
서적
[233]
서적
Non-organic chemistry in three volumes
Academy
[234]
서적
Basic theories and methods of calculation of nuclear reactors
Energoatomizdat
[235]
서적
[236]
저널
Universal Alchemy
http://www.vokrugsve[...]
[237]
서적
Exploring Chemical Elements and their Compounds
https://archive.org/[...]
TAB Books
[238]
서적
The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions
https://fas.org/sgp/[...]
Los Alamos
2009-02-15
[239]
웹사이트
Nuclear Weapon Design
https://fas.org/nuke[...]
Federation of American Scientists
2008-12-07
[240]
웹사이트
Nuclear Weapons Design & Materials
https://web.archive.[...]
Project on Managing the Atom (MTA) for NTI
2002-11-25
[241]
웹사이트
Apollo 14 Press Kit – 01/11/71
http://www.hq.nasa.g[...]
NASA
2019-07-21
[242]
서적
Crystalline Materials for Actinide Immobilisation
https://books.google[...]
World Scientific
[243]
서적
Plutonium
VNIIEF
[244]
서적
An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation
https://books.google[...]
Elsevier
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
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