타이타늄 동위 원소

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1. 개요

타이타늄 동위 원소는 원자핵 내 양성자 22개를 가지며, 중성자 수에 따라 다양한 종류가 존재한다. 타이타늄에는 ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti, ⁵⁰Ti의 다섯 가지 안정 동위 원소가 있으며, ⁴⁸Ti가 가장 풍부하다. 타이타늄-44(⁴⁴Ti)는 전자 포획을 통해 60년의 반감기를 가지고 스칸듐-44로 붕괴하며, 초신성 폭발 과정에서 생성된다. 타이타늄의 다른 방사성 동위 원소는 대부분 짧은 반감기를 가지며, 베타 붕괴 또는 양성자 방출을 통해 다른 원소로 변환된다.

타이타늄 동위 원소

타이타늄 동위 원소 정보

기호	Ti
중성자	26

동위 원소

질량수	44
자연 존재비	합성
반감기	59.1년
붕괴 방식	ε
딸 핵종	⁴⁴Sc

안정 동위 원소

질량수	46
자연 존재비	8.25%
질량수	47
자연 존재비	7.44%
질량수	48
자연 존재비	73.72%
질량수	49
자연 존재비	5.41%
질량수	50
자연 존재비	5.18%

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1. 개요
2. 타이타늄 동위원소 목록
3. 타이타늄-44

2. 타이타늄 동위원소 목록

타이타늄의 알려진 동위 원소는 다음과 같다.

👆

좌우로 밀어서 보기

핵종 기호	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성물	핵 스핀	자연 존재비 (몰 분율)
핵종 기호	들뜬 에너지			반감기	붕괴 방식	붕괴 생성물	핵 스핀	자연 존재비 (몰 분율)
³⁸Ti	22	16	38.00977(27)#	<120 ns	2p	³⁶Ca	0+
³⁹Ti	22	17	39.00268(22)#	28.5(9) ms	β⁺, p (93.7%)	³⁸Ca	3/2+#
					β⁺ (~6.3%)	³⁹Sc
					β⁺, 2p (?%)	³⁷K
⁴⁰Ti	22	18	39.990345(73)	52.4(3) ms	β⁺, p (95.8%)	³⁹Ca	0+
⁴⁰Ti	22	18	39.990345(73)	52.4(3) ms	β⁺ (4.2%)	⁴⁰Sc	0+
⁴¹Ti	22	19	40.983148(30)	81.9(5) ms	β⁺, p (91.1%)	⁴⁰Ca	3/2+
⁴¹Ti	22	19	40.983148(30)	81.9(5) ms	β⁺ (8.9%)	⁴¹Sc	3/2+
⁴²Ti	22	20	41.97304937(29)	208.3(4) ms	β⁺	⁴²Sc	0+
⁴³Ti	22	21	42.9685284(61)	509(5) ms	β⁺	⁴³Sc	7/2−
^43m1Ti	313.0(10) keV			11.9(3) μs	IT	⁴³Ti	(3/2+)
^43m2Ti	3066.4(10) keV			556(6) ns	IT	⁴³Ti	(19/2−)
⁴⁴Ti	22	22	43.95968994(75)	59.1(3) y	EC	⁴⁴Sc	0+
⁴⁵Ti	22	23	44.95812076(90)	184.8(5) min	β⁺	⁴⁵Sc	7/2−
^45mTi	36.53(15) keV			3.0(2) μs	IT	⁴⁵Ti	3/2−
⁴⁶Ti	22	24	45.952626356(97)	안정			0+	0.0825(3)
⁴⁷Ti	22	25	46.951757491(85)	안정			5/2−	0.0744(2)
⁴⁸Ti	22	26	47.947940677(79)	안정			0+	0.7372(3)
⁴⁹Ti	22	27	48.947864391(84)	안정			7/2−	0.0541(2)
⁵⁰Ti	22	28	49.944785.622(88)	안정			0+	0.0518(2)
⁵¹Ti	22	29	50.94660947(52)	5.76(1) min	β⁻	⁵¹V	3/2−
⁵²Ti	22	30	51.9468835(29)	1.7(1) min	β⁻	⁵²V	0+
⁵³Ti	22	31	52.9496707(31)	32.7(9) s	β⁻	⁵³V	(3/2)−
⁵⁴Ti	22	32	53.950892(17)	2.1(10) s	β⁻	⁵⁴V	0+
⁵⁵Ti	22	33	54.955091(31)	1.3(1) s	β⁻	⁵⁵V	(1/2)−
⁵⁶Ti	22	34	55.95768(11)	200(5) ms	β⁻	⁵⁶V	0+
⁵⁷Ti	22	35	56.96307(22)	95(8) ms	β⁻	⁵⁷V	5/2−#
⁵⁸Ti	22	36	57.96681(20)	55(6) ms	β⁻	⁵⁸V	0+
⁵⁹Ti	22	37	58.97222(32)#	28.5(19) ms	β⁻	⁵⁹V	5/2−#
^59mTi	108.5(5) keV			615(11) ns	IT	⁵⁹Ti	1/2−#
⁶⁰Ti	22	38	59.97628(26)	22.2(16) ms	β⁻	⁶⁰V	0+
⁶¹Ti	22	39	60.98243(32)#	15(4) ms	β⁻	⁶¹V	1/2−#
^61m1Ti	125.0(5) keV			200(28) ns	IT	⁶¹Ti	5/2−#
^61m2Ti	700.1(7) keV			354(69) ns	IT	⁶¹Ti	9/2+#
⁶²Ti	22	40	61.98690(43)#	9# ms [>620 ns]	β⁻?	⁶²V?	0+
⁶³Ti	22	41	62.99371(54)#	10# ms [>620 ns]	β⁻?	⁶³V?	1/2−#
⁶⁴Ti	22	42	63.99841(64)#	5# ms [>620 ns]	β⁻?	⁶⁴V?	0+

2.1. 안정 동위원소

자연계에 존재하는 타이타늄은 5가지의 안정 동위 원소인 ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti, ⁵⁰Ti로 구성된다. 이들 동위 원소는 모두 자연에서 발견되며, 그 존재 비율은 다음과 같다.

👆

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타이타늄 안정 동위 원소의 자연 존재비
핵종 기호	Z(p)	N(n)	핵 스핀	동위 원소 존재비 (몰 분율)
⁴⁶Ti	22	24	0+	0.0825(3)
⁴⁷Ti	22	25	5/2-	0.0744(2)
⁴⁸Ti	22	26	0+	0.7372(3)
⁴⁹Ti	22	27	7/2-	0.0541(2)
⁵⁰Ti	22	28	0+	0.0518(2)

이 중에서 ⁴⁸Ti는 자연 존재비가 약 73.72%로 가장 풍부하게 존재한다.

2.2. 방사성 동위원소

타이타늄에는 여러 방사성 동위원소가 존재한다. 이 중 ⁴⁴Ti는 반감기가 59.1(3)년으로 비교적 긴 편에 속하는 방사성 동위원소이다. ⁴⁴Ti는 전자 포획(EC)을 통해 핵 이성체 상태의 ⁴⁴Sc로 먼저 붕괴하며, 이 핵 이성체는 다시 스칸듐-44의 바닥 상태를 거쳐 최종적으로 안정한 ⁴⁴Ca가 된다. 흥미롭게도, ⁴⁴Ti는 전자 포획 방식으로만 붕괴하기 때문에 원자가 완전히 이온화되어 전자가 없는 상태(Ti²²⁺)가 되면 붕괴하지 않고 안정해진다.

⁴⁴Ti는 항성 핵합성 과정, 특히 초신성 폭발 초기 단계에서 알파 과정을 통해 비교적 풍부하게 생성된다. 별 내부의 고온 환경에서 ⁴⁰Ca이 알파 입자(⁴He 핵)와 융합하여 만들어진다. 이렇게 생성된 ⁴⁴Ti는 또 다른 알파 입자와 융합하여 ⁴⁸Cr을 형성하기도 한다. 초신성 폭발 후 남은 잔해에서 ⁴⁴Ti가 붕괴하며 방출하는 감마선을 관측하거나 그 양을 측정하여 초신성의 나이를 추정할 수 있다. 실제로 카시오페이아 A나 SN 1987A와 같은 초신성 잔해에서 비교적 높은 농도의 ⁴⁴Ti가 관측되었는데, 이는 초신성 폭발 직후 고온 및 이온화 환경에서 ⁴⁴Ti의 붕괴가 지연되었기 때문으로 여겨진다.

⁴⁴Ti 외에도 다양한 타이타늄 방사성 동위원소가 존재하지만, 대부분 반감기가 매우 짧다. 예를 들어, ⁴⁵Ti는 반감기가 약 184.8(5)분이며 양전자 방출(β⁺)을 통해 안정한 ⁴⁵Sc로 붕괴한다. 질량수가 44보다 작은 동위원소들(예: ³⁹Ti, ⁴⁰Ti, ⁴¹Ti)은 주로 양전자 방출(β⁺)이나 양성자 방출(p)을 통해 더 가벼운 원소로 붕괴하는 경향이 있다. 반면, 안정한 동위원소보다 질량수가 큰 동위원소들(예: ⁵¹Ti, ⁵²Ti, ⁵³Ti)은 주로 베타 붕괴(β^-)를 통해 바나듐 동위원소로 붕괴한다. 이들 중 일부는 베타 붕괴와 함께 중성자 방출(n)을 하기도 한다 (예: ⁵⁶Ti, ⁵⁷Ti).

2.3. 핵적 특성

타이타늄 동위 원소들의 핵 스핀은 38Ti의 0+에서 43Ti, 45Ti, 49Ti의 7/2-에 이르기까지 다양하게 분포한다. 일부 동위 원소는 이성질핵을 가지는데, 예를 들어 43Ti은 43m1Ti(핵 스핀 3/2+)와 43m2Ti(핵 스핀 19/2-)의 두 가지 이성질핵이 알려져 있다. 이 외에도 45Ti, 59Ti, 61Ti 등이 이성질핵을 갖는다. 이러한 이성질핵들은 마이크로초(μs)나 나노초(ns) 단위의 매우 짧은 반감기를 가지며, 이는 원자핵이 짧은 시간 동안 들뜬 상태로 존재하는 것을 의미한다.

3. 타이타늄-44

타이타늄-44(⁴⁴Ti)는 타이타늄의 방사성 동위 원소이다. 전자 포획을 통해 반감기 60년의 핵 이성체 상태인 스칸듐-44(⁴⁴Sc)로 붕괴하며, 이후 ⁴⁴Sc의 바닥 상태를 거쳐 최종적으로 안정한 칼슘-44(⁴⁴Ca)가 된다. ⁴⁴Ti는 전자 포획만으로 붕괴하기 때문에, 이온화되어 전자를 잃으면 반감기가 길어진다. 특히 완전 이온화 상태(전하 +22)에서는 안정해진다.

⁴⁴Ti는 항성 핵합성 과정과 초신성 폭발의 초기 단계에서 알파 과정을 통해 비교적 많이 만들어진다. 별 내부의 고온 환경에서 칼슘-40(⁴⁰Ca)이 알파 입자(헬륨-4 원자핵)와 융합하여 생성된다. 이렇게 만들어진 ⁴⁴Ti 핵은 또 다른 알파 입자와 융합하여 크롬-48(⁴⁸Cr)을 형성하기도 한다.

초신성의 나이는 ⁴⁴Ti에서 방출되는 감마선을 측정하고 그 양을 파악하여 결정할 수 있다. 카시오페이아 A 초신성 잔해와 SN 1987A에서는 ⁴⁴Ti가 비교적 높은 농도로 관측되었는데, 이는 초신성 잔해의 높은 이온화 조건 때문에 ⁴⁴Ti의 붕괴가 지연되었기 때문으로 설명된다.