이성질핵

3. 준안정 이성질체

핵 이성질핵은 바닥 상태보다 높은 에너지 상태를 가지는 원자핵이다. 여기 상태에서 핵 내의 양성자나 중성자는 더 높은 에너지의 핵 오비탈을 차지한다. 이는 원자 내 전자의 여기 상태와 유사하다.

여기된 원자 상태가 붕괴될 때는 형광을 통해 에너지가 방출되며, 이는 가시광선 범위의 빛을 방출한다. 방출되는 에너지는 결합 해리 에너지나 이온화 에너지와 관련이 있으며, 결합당 수 eV에서 수십 eV 범위이다. 그러나 핵 과정에는 더 강력한 핵 결합 에너지가 관여하기 때문에, 대부분의 핵 여기 상태는 감마선 방출로 붕괴된다. 예를 들어, 의료 절차에 사용되는 테크네튬-99m은 약 6시간의 반감기로 140 keV의 에너지를 가진 감마선을 방출하는데, 이는 의료 진단용 X선의 에너지와 유사하다.^[3]

핵 이성질핵은 감마선 방출에 필요한 핵 스핀의 큰 변화로 인해 감마 붕괴가 어려워져 오랫동안 반감기를 갖는다. 예를 들어, ^180mTa^영어은 스핀이 9이고 스핀이 1인 ¹⁸⁰Ta^영어으로 감마 붕괴해야 한다.

대부분의 준안정 이성질핵은 감마선 방출 외에도 내부 변환을 통해 붕괴될 수 있다. 내부 변환 과정에서 핵 탈여기 에너지는 감마선으로 방출되지 않고 원자의 내부 전자 중 하나를 가속하는 데 사용되며, 이 전자는 고속으로 방출된다.

에너지 안정성에서 멀리 떨어진 핵에서는 더 많은 붕괴 모드가 알려져 있다.

핵분열 생성물 중 일부는 준안정 이성질핵 상태를 갖는다. 이러한 파편은 고도로 여기된 상태로 생성되어 즉시 탈여기를 거치며, 이 과정이 끝나면 핵은 바닥 상태와 이성질핵 상태를 모두 채울 수 있다.

핵융합이나 다른 핵반응을 통해 생성될 수 있는 준안정 핵 이성질체는 하나 이상의 감마선 또는 전환 전자 방출을 통해 완화되는 들뜬 상태로 존재를 시작한다. 때때로 탈여기는 핵의 바닥 상태로 빠르게 진행되지 않는데, 이는 중간 들뜬 상태의 형성이 바닥 상태와 매우 다른 스핀을 가질 때 발생한다. 감마선 방출은 방출 후 상태의 스핀이 방출 상태의 스핀과 크게 다를 경우 방해를 받는다.

특정 동위 원소의 준안정 이성질체는 일반적으로 "m"으로 지정되며, 원자 질량수 뒤에 배치된다. 예를 들어, 코발트-58m1은 ^58m1Co^영어로 축약된다. 둘 이상의 준안정 이성질체를 가진 동위 원소의 경우 "지수"가 지정 뒤에 배치되며(m1, m2, m3 등), 각 이성질체 상태에 저장된 증가하는 여기 에너지 수준과 상관관계가 있다(예: 하프늄-178m2, ^178m2Hf^영어).

핵 이성질핵이 더 낮은 에너지의 핵 상태로 붕괴되는 현상인 이성질핵 전이에는 γ(감마선) 방출과 내부 변환 두 가지 유형이 있다.^[24][25] 이성질핵은 다른 원소로 붕괴될 수 있지만, 붕괴 속도는 이성질핵에 따라 다를 수 있다.

여기서 들뜬 핵 상태에서 감마선의 방출은 핵이 에너지를 잃고 더 낮은 에너지 상태, 때로는 바닥 상태에 도달하도록 한다. 어떤 경우에는 핵반응 또는 다른 유형의 방사성 붕괴에 이은 들뜬 핵 상태가 준안정 핵 들뜬 상태가 될 수 있다.

감마선은 그 에너지를 가장 강하게 결합된 전자 중 하나로 직접 전달하여, 그 전자가 원자에서 방출되게 하는데, 이를 광전 효과라고 한다.

원자핵에서 양성자와 중성자는 서로 깊게 속박되어 에너지의 가장 낮은 상태가 안정된 상태이며, 이를 바닥 상태라고 한다.^[28] 핵 충돌 등으로 원자핵이 에너지를 얻으면 에너지 높은 들뜬 상태가 된다.^[28]

대부분의 원자핵에서 에너지 높은 상태는 불안정하여 10^-12(1조 분의 1)초 정도, 길어도 10^-6초 이내에 감마선을 방출하는 형태로 에너지를 방출하여 원래 안정된 저에너지 바닥 상태로 돌아간다.^[26][28] 그러나 그중에는 10^-6초를 넘어 원자핵의 들뜬 상태를 유지하는 준안정 상태의 핵 이성질체가 있다.^[26]

고에너지 상태에서 에너지가 해방되지 않고 준안정 상태를 유지하는 것은, 고에너지 상태에서의 핵자의 스핀 상태와 저에너지 상태에서의 스핀의 차이가 크기 때문에 감마 붕괴가 어려워지기 때문이라고 생각된다.^[26][28]

그러나 그중에는 반감기가 62초로 베타 붕괴하는 ^42mSc^영어(스칸듐)이나 반감기 45초로 알파 붕괴하는 ^212mPo^영어(폴로늄) 등의 예외도 있다.^[29]

핵 이성질체가 바닥 상태로 반수가 돌아가는 반감기로 긴 것은 초 단위에서 시간 단위이지만, 때로는 년 단위, 그중에는 ^180m1Ta^영어의 경우처럼 핵 이성질체가 바닥 상태보다 훨씬 안정적이며 매우 수명이 길어 1200조 년으로 우주의 나이보다 훨씬 긴 것도 존재한다.^[30] 들뜬 핵 이성질체가 감마선을 방출하여 바닥 상태로 감마 붕괴하는 것을 핵 이성질체 전이라고 한다.

3. 1. 핵분열 이성질체

4. 거의 안정적인 이성질체

핵 이성질핵은 바닥 상태에 있는 비-여기된 핵보다 더 높은 에너지 상태를 가진다. 여기 상태에서 핵 내의 하나 이상의 양성자 또는 중성자는 더 높은 에너지의 핵 오비탈을 차지한다. 이러한 상태는 원자 내 전자의 여기 상태와 유사하다.

대부분의 준안정 이성질핵은 감마선 방출을 통해 붕괴되지만, 내부 변환을 통해 붕괴될 수도 있다. 내부 변환 과정에서는 핵 탈여기 에너지가 감마선으로 방출되지 않고 원자의 내부 전자 중 하나를 가속하는 데 사용된다.

에너지 안정성에서 멀리 떨어진 핵에서는 더 많은 붕괴 모드가 알려져 있다.

특정 동위 원소의 준안정 이성질체는 일반적으로 "m"으로 지정된다. 이 지정은 원자 질량수 뒤에 배치된다. 예를 들어, 코발트-58m1은 로 축약되며, 여기서 27은 코발트의 원자 번호이다. 둘 이상의 준안정 이성질체를 가진 동위 원소의 경우 "지수"가 지정 뒤에 배치되며, 표시는 m1, m2, m3 등으로 변경된다.

대부분의 핵 여기 상태는 매우 불안정하며, 10⁻¹²초 정도 존재한 후 "즉시" 초과 에너지를 방출한다. 결과적으로 "핵 이성질핵"이라는 특성은 일반적으로 반감기가 10⁻⁹초 이상인 구성에만 적용된다.

자연에서 발생하는 가장 안정적인 핵 이성질핵은 이며, 반감기는 최소 10¹⁵년으로, 우주의 나이보다 현저히 길다. 이 이성질핵의 기원은 미스터리하지만, 초신성에서 형성된 것으로 여겨진다.

는 또 다른 비교적 안정적인 핵 이성질핵으로, 반감기는 31년이다. 1 그램의 순수한 는 약 1.33기가줄의 에너지를 포함하고 있으며, 이는 약 315kg의 TNT 폭발과 같다.

홀뮴의 핵 이성질핵 은 반감기가 1,200년이다.

는 바닥 상태에서 단지 떨어진 놀랍도록 낮은 준위의 준안정 이성질핵을 가지고 있다.^[7][8][9]

'''이성질핵 전이'''는 핵 이성질핵이 더 낮은 에너지의 핵 상태로 붕괴되는 현상이다.^[24][25] 이성질핵 전이에는 두가지 유형이 있다.

• γ(감마선) 방출(고에너지 광자 방출)
• 내부 변환

5. 붕괴 억제 메커니즘

핵 이성질체가 바닥 상태로 돌아가는 데 오랜 시간이 걸리는 주된 이유는, 높은 에너지 상태의 핵자 스핀과 낮은 에너지 상태의 스핀 차이가 커서 감마 붕괴가 어렵기 때문이다.^[26][28]

일반적으로 핵이 스핀 0 상태에서 시작하면 감마 방출은 각운동량을 보존하지 못하므로 불가능하다. 핵 스핀 각운동량에서 1 퀀텀 단위 ''ħ''만큼 임의의 방향으로 핵 각운동량을 변경하는 붕괴 경로는 없다. 이 변화는 스핀이 1 단위인 감마 광자를 방출하는 데 필요하다. 각운동량의 2 단위 이상의 정수 변화는 가능하지만, 방출된 광자는 추가적인 각운동량을 전달한다. 1 단위를 초과하는 변화는 금지 전이로 알려져 있다. 방출된 감마선이 전달해야 하는 1보다 큰 각운동량 변화가 있을 때마다 붕괴율은 약 5자릿수만큼 억제된다.^[17] 가장 높은 알려진 스핀 변화는 8 단위이며, ^180mTa의 붕괴에서 발생한다. 이는 1 단위와 관련된 붕괴에 비해 10³⁵배 억제된 결과이다. 10⁻¹² 초의 자연 감마 붕괴 반감기 대신, 10²³ 초 이상, 즉 최소 3 × 10¹⁵년의 반감기를 가지며, 따라서 아직 붕괴가 관찰되지 않았다.

하지만, ^42mSc처럼 반감기 62초로 베타 붕괴하거나, ^212mPo처럼 반감기 45초로 알파 붕괴하는 예외도 존재한다.^[29]

6. 응용 분야

핵 이성질핵은 감마선 방출, 내부 변환 등 다양한 방식으로 붕괴되며, 이러한 특성을 활용하여 여러 분야에 응용된다. 특히 의료 영상 촬영에 널리 사용되는 테크네튬-99m은 약 6시간의 반감기로 140 keV의 에너지를 가진 감마선을 방출한다.^[3]

핵 이성질핵은 핵무기 및 핵전지 개발에도 응용될 가능성이 있다. 탄탈륨-180m과 하프늄-178m2는 유도 방출을 통해 에너지를 방출하여 핵무기의 재료로 연구되기도 하며, 핵전지는 핵 이성질체를 사용하여 에너지 밀도를 높이는 방식으로 개발이 진행 중이다.

6. 1. 핵무기

6. 2. 핵전지

6. 3. 의료 및 산업

참조

_[1] 논문 Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future http://epubs.surrey.[...]
_[2] 논문 Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran https://zenodo.org/r[...]
_[3] 논문 First isomeric yield ratio measurements by direct ion counting and implications for the angular momentum of the primary fission fragments https://link.aps.org[...] 2018-08-13
_[4] 논문 Depopulation of the isomeric state ¹⁸⁰Ta^m by the reaction ¹⁸⁰Ta^m(γ,γ′)¹⁸⁰Ta http://www.hafniumis[...]
_[5] 논문 Photoactivation of ¹⁸⁰Ta^m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope
_[6] 웹사이트 UNH researchers search for stimulated gamma ray emission http://einstein.unh.[...] 2006-06-01
_[7] 논문 Laser Excitation of the Th-229 Nucleus https://link.aps.org[...] 2024-04-29
_[8] 논문 Frequency ratio of the ^229mTh nuclear isomeric transition and the ⁸⁷Sr atomic clock 2024-09-04
_[9] 뉴스 A nuclear clock prototype hints at ultraprecise timekeeping https://www.sciencen[...] 2024-09-04
_[10] 논문 Direct detection of the ²²⁹Th nuclear clock transition http://www.2physics.[...] 2016-05-05
_[11] 간행물 Results on ^229mThorium published in "Nature" http://www.med.physi[...] Ludwig Maximilian University of Munich 2016-05-06
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_[13] 논문 Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer ^229mTh
_[14] 논문 Energy of the ²²⁹Th nuclear clock transition 2019-09-12
_[15] 논문 Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in ²²⁹Th http://www.ptb.de/cm[...] 2003-01-15
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_[17] 웹사이트 Quantum Mechanics for Engineers http://www.eng.fsu.e[...]
_[18] 웹사이트 Gamma-ray weapons http://www.eurekaler[...] New Scientist 2003-08-16
_[19] 간행물 A perverse military strategy https://www.newscien[...] 2006-06-19
_[20] 웹사이트 Superbomb Ignites Science Dispute http://www.veteransf[...]
_[21] 뉴스 Scary things come in small packages https://www.washingt[...] 2004-03-28
_[22] 뉴스 Superbomb ignites science dispute http://www.commondre[...] 2003-09-28
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_[26] 문서 培風館『物理学辞典』p 82
_[27] 문서 丸善『物理学大辞典』p 175-176
_[28] 문서 丸善『物理学大辞典』p 181
_[29] 문서 丸善『物理学大辞典』p 176
_[30] PDF 国立天文台ニュース2010年7月1日 https://www.nao.ac.j[...] 2017-10-25