캘리포늄 동위 원소
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1. 개요
캘리포늄은 질량수가 237에서 256에 이르는 다양한 동위 원소를 가지며, 캘리포늄-249와 캘리포늄-251이 각각 351년, 900년의 반감기를 가진다. 캘리포늄-252는 자발 핵분열을 통해 중성자를 방출하는 특성으로 인해 원자로 시동, 군사, 석유 산업, 의학 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 캘리포늄-252는 원자로 기동용 중성자원으로 사용되며, 휴대용 동위원소 중성자 분광법(PINS)을 통해 폭발물 탐지에 사용되기도 한다.
캘리포늄(Cf)은 원자 번호 98번의 인공 원소로, 자연계에는 존재하지 않는다. 현재까지 질량수 237부터 256까지 총 20가지의 캘리포늄 동위 원소가 알려져 있으며, 이들은 모두 방사성 동위 원소이다.[13][14]
2. 캘리포늄 동위 원소
캘리포늄 동위 원소들은 주로 원자로에서 플루토늄, 아메리슘, 퀴륨 등 더 가벼운 악티늄족 원소에 중성자를 반복적으로 충돌시키거나, 입자 가속기를 이용해 다른 원소 표적에 이온을 충돌시키는 방식으로 합성된다. 각 동위 원소는 고유한 반감기와 붕괴 방식을 가지며, 일부 동위 원소는 특정 분야에서 중요하게 활용된다.
2. 1. 주요 동위 원소
캘리포늄(Cf)은 원자 번호 98번의 인공 원소로, 자연계에는 존재하지 않는다. 현재까지 알려진 캘리포늄의 동위 원소는 질량수 237부터 256까지 총 20가지이며, 이들은 모두 방사성 동위 원소이다.
캘리포늄 동위 원소들의 반감기는 매우 다양하다. 238Cf는 약 21 밀리초의 매우 짧은 반감기를 가지는 반면, 251Cf는 약 900년으로 캘리포늄 동위 원소 중 가장 긴 반감기를 가진다.[4] 249Cf(반감기 약 351년)와 250Cf(반감기 약 13년)도 비교적 긴 반감기를 갖는 동위 원소에 속한다.
캘리포늄 동위 원소들은 주로 알파 붕괴, 베타 붕괴(β+, EC, β−), 자발 핵분열 등의 방식으로 붕괴한다. 특히 질량이 큰 동위 원소일수록 자발 핵분열의 비율이 높아지는 경향이 있다.
여러 동위 원소 중 캘리포늄-252(252Cf)는 강한 중성자 방출원으로 매우 중요하게 다뤄진다.[5][6] 이는 원자로 기동, 중성자 방사선 촬영, 의학적 치료 등 다양한 분야에서 활용된다. 이 외에도 249Cf, 251Cf 등 일부 동위 원소는 핵물리학 연구 등에서 중요하게 사용된다.
캘리포늄 동위 원소들은 대부분 원자로에서 플루토늄이나 아메리슘, 퀴륨 등의 무거운 원소에 중성자를 반복적으로 충돌시키거나, 입자 가속기를 이용해 다른 원소 표적에 이온을 충돌시키는 방식으로 합성된다.
2. 1. 1. 캘리포늄-245
캘리포늄-245(245Cf)는 반감기가 약 45분인 캘리포늄의 동위 원소이다. 이 동위 원소는 원자로에서는 생성되지 않으며, 실험실에서 퀴륨-242(242Cm)에 헬륨(4He, 알파 입자)을 가속기로 충돌시켜 합성하는 방식으로 얻는다. 반감기가 짧고 합성 방식으로만 얻을 수 있어 극소량만 생산되며, 주로 실험용으로 이용된다.245Cf는 주로 두 가지 방식으로 붕괴한다. 약 64.7%는 베타 플러스 붕괴를 통해 버클륨-245(245Bk)가 되고, 나머지 약 35.3%는 알파 붕괴를 통해 퀴륨-241(241Cm)이 된다.
또한, 245Cf는 핵 이성질체인 245mCf를 가진다. 이 이성질핵은 약 57 keV의 들뜸 에너지를 가지며, 반감기는 100 나노초 이상이다. 이성질핵 전이(IT)를 통해 바닥 상태인 245Cf로 붕괴한다.
2. 1. 2. 캘리포늄-248
캘리포늄-248(248Cf)의 반감기는 333.5일이다. 주로 알파 붕괴(99.997%)를 통해 퀴륨-244(244Cm)로 붕괴하며, 낮은 확률(0.0029%)로 자발 핵분열을 하기도 한다.
2. 1. 3. 캘리포늄-249
원자로에서 생성되는 동위체로 반감기는 351년이다.
열중성자에 의한 핵분열 효율이 84~86%에 달하고, 고속중성자에 의한 핵분열 효율도 75~80%로 높아 효과적인 핵분열 연료로 사용될 수 있다. 하지만 생성량이 매우 적어 실용적인 의미는 크지 않다.
원자로 내에서는 퀴륨-248(248Cm)이 중성자를 흡수하여 퀴륨-249(249Cm)가 되고, 이는 베타 붕괴하여 버클륨-249(249Bk)가 된다. 버클륨-249의 반감기는 330일로 비교적 길기 때문에, 이것이 다시 베타 붕괴하여 캘리포늄-249(249Cf)가 되기 전에 중성자를 흡수하여 버클륨-250(250Bk)이 되는 경우가 많다. 버클륨-250은 이후 베타 붕괴하여 캘리포늄-250(250Cf)으로 변환된다. 이러한 핵반응 경로는 캘리포늄-252(252Cf)가 대량으로 생성될 수 있는 배경이 된다.
임계질량은 6kg이며, 중성자 반사제를 사용하면 1.8kg까지 줄일 수 있다. 그러나 생성량이 극히 미미하여 실제 핵무기 제조에는 사용될 수 없다.
2. 1. 4. 캘리포늄-250
캘리포늄-250(250Cf)은 캘리포늄의 동위 원소 중 하나로, 반감기는 13.08(9)년이다. 주로 알파 붕괴(99.923%)를 통해 퀴륨-246(246Cm)으로 붕괴하며, 0.077%의 확률로 자발 핵분열을 일으킨다.
상대적으로 높은 자발 핵분열 비율 때문에 위험한 핵 폐기물로 분류되기도 하지만, 중성자를 잘 흡수하는 성질을 이용하여 캘리포늄-251을 합성하는 데 사용될 수 있다.
2. 1. 5. 캘리포늄-251
반감기는 약 900년으로 상당히 길고, 자발 핵분열 비율도 낮다.[4] 열중성자 핵분열 효율은 68~74%, 고속중성자 핵분열 효율은 71~76%로 매우 높다. 이론적으로는 좋은 핵연료와 핵무기 재료가 될 수 있으나, 극미량만 얻을 수 있어 실제 사용은 불가능하다. 임계질량은 5kg이며, 중성자 반사재를 이용하면 1.4kg까지 줄일 수 있다.
반감기가 길어 안정적으로 보관할 수 있으며, 캘리포늄의 화학적 성질 연구에 중요한 동위 원소이다. 열중성자에 대한 중성자 흡수율이 매우 높은 특성을 이용하여 캘리포늄-252를 대량 생성하는 데 이용된다.
2. 1. 6. 캘리포늄-252
캘리포늄-252(252Cf)는 반감기가 2.645년으로 비교적 짧고, 자발 핵분열 비율이 3.09%로 매우 높아 많은 중성자를 방출하는 강력한 중성자원이다.[6] 핵분열 시 방출되는 중성자는 0~13 MeV의 에너지 범위를 가지며, 평균 에너지는 2.3 MeV, 가장 확률이 높은 에너지는 1 MeV이다.[7]
이러한 특성 덕분에 1 마이크로그램(μg)의 극소량으로도 중성자 수분계, 의학 용도, 중성자 탐지기 등 다양한 분야에서 활용된다. 또한 원자로 내부의 중성자 공급원으로 사용되어 원자로 기동을 돕거나, 석유화학 탐사, 중성자 방사선 촬영 등 산업 분야에서도 폭넓게 이용된다. 다만 반감기가 짧아 시간이 지남에 따라 중성자 방출량이 급격히 감소하므로, 보통 8~10년 주기로 교체해야 한다.
캘리포늄-252는 캘리포늄-250과 캘리포늄-251이 열중성자를 잘 흡수하는 성질 때문에 다른 캘리포늄 동위 원소들보다 상대적으로 많이 생성된다.
높은 자발 핵분열 비율 때문에 중성자를 흡수하면 약 65~70%는 스스로 핵분열하고, 30~35%는 핵분열성 동위체인 캘리포늄-253을 생성한다. 이 때문에 연쇄 핵반응을 일으킬 수 있어 핵연료로 사용될 가능성도 있지만, 생성되는 캘리포늄-253의 반감기가 17.81일로 매우 짧아 효율적이지는 않다.
역설적이게도 이러한 캘리포늄-253의 짧은 반감기는 캘리포늄-252의 반감기를 정확하게 측정하는 데 도움을 주었다. 과거 퀴륨-250에서 생성된 캘리포늄-251을 이용해 반감기를 측정하려 할 때는, 캘리포늄-251 자체의 긴 반감기(약 900년)와 핵분열 특성 때문에 시료가 오염되어 정확한 측정이 어려웠다. 하지만 캘리포늄-252에서 생성된 캘리포늄-253은 반감기가 짧아 대부분 핵분열을 일으키지 않는 아인슈타이늄-253으로 빠르게 붕괴하므로, 시료 오염이 적어 캘리포늄-252의 반감기를 더 정확하게 측정할 수 있게 되었다.
캘리포늄-252는 많은 중성자를 방출하는 독특한 특성 덕분에 캘리포늄 동위 원소 중 가장 중요하게 다뤄지며, 의학, 과학, 산업 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다.
2. 1. 7. 캘리포늄-253
열중성자에 대한 핵분열 효율은 98%, 고속 중성자에 대한 핵분열 비율은 60%로 핵연료로서 우수한 특성을 보인다. 그러나 반감기가 17.81일로 매우 짧고 생성되는 양도 매우 적어 주로 실험용으로만 사용된다. 캘리포늄-253은 99.69%의 확률로 베타 붕괴하여 253Es이 되고, 0.31%의 확률로 알파 붕괴하여 249Cm이 된다.
캘리포늄-253은 캘리포늄-252가 자발 핵분열할 때 방출되는 중성자를 다른 핵종(주로 252Cf)이 포획하여 생성된다. 이렇게 생성된 캘리포늄-253은 다시 중성자를 포획하여 캘리포늄-254로 변환될 수 있다. 캘리포늄-254는 주로 자발 핵분열을 통해 붕괴하며, 이 과정에서 방출되는 중성자는 다시 캘리포늄-252의 자발 핵분열성 중성자 생성에 기여하는 순환 과정에 참여하게 된다.
한편, 캘리포늄-253의 베타 붕괴로 생성된 253Es은 반감기가 20.47일로 비교적 짧으며, 알파 붕괴하여 249Bk으로 변한다. 이 249Bk는 중성자를 포획하여 다시 캘리포늄 합성에 이용될 수 있으므로, 이러한 핵반응 과정은 결과적으로 캘리포늄-252가 더 많이 생성될 수 있는 조건을 만드는 데 기여한다.
2. 1. 8. 캘리포늄-254
반감기가 60.5일로 매우 짧으며, 대부분(99.69%) 자발 핵분열로 붕괴한다. 0.31%는 알파 붕괴를 통해 퀴륨-250으로 변하는데, 이 생성물 역시 주로 자발 핵분열을 일으킨다.
캘리포늄-254는 원자로에서 극미량 생성된다. 또한, 캘리포늄-252 덩어리 내에서 자발 핵분열로 방출된 중성자를 포획하여 일부 만들어지기도 한다. 이 동위 원소의 붕괴 방식은 캘리포늄-252의 중성자 생성 및 동위체 변환 과정에 영향을 준다. 원자로에서 생성되더라도 대부분 빠르게 핵분열하여 핵분열 생성물로 변하기 때문에 검출되는 양은 매우 적지만, 원자로의 중성자 공급에 미미하게나마 기여한다.
2. 2. 동위 원소 목록
기호Z(p) N(n) 동위 원소 질량 (u) 반감기 붕괴
방식[13][14]붕괴
생성물핵
스핀들뜬 에너지 237Cf 98 139 237.06207(54)# 2.1(3) s SF 다양 5/2+# β+ 237Bk α 233Cm 238Cf 98 140 238.06141(43)# 21.1(13) ms SF 다양 0+ β+ (드묾) 238Bk α (드묾) 234Cm 239Cf 98 141 239.06242(23)# 60(30) s
[39(+37-12) s]α 235Cm 5/2+# β+ (드묾) 239Bk 240Cf 98 142 240.06230(22)# 1.06(15) min α (98%) 236Cm 0+ SF (2%) 다양 β+ (드묾) 240Bk 241Cf 98 143 241.06373(27)# 3.78(70) min β+ (75%) 241Bk 7/2-# α (25%) 237Cm 242Cf 98 144 242.06370(4) 3.49(15) min α (80%) 238Cm 0+ β+ (20%) 242Bk SF (0.014%) 다양 243Cf 98 145 243.06543(15)# 10.7(5) min β+ (86%) 243Bk (1/2+) α (14%) 239Cm 244Cf 98 146 244.066001(3) 19.4(6) min α (99%) 240Cm 0+ ε (1%) 244Bk 245Cf 98 147 245.068049(3) 45.0(15) min β+ (64%) 245Bk (5/2+) α (36%) 241Cm 246Cf 98 148 246.0688053(22) 35.7(5) h α 242Cm 0+ ε (5×10−4%) 246Bk SF (2×10−4%) 다양 247Cf 98 149 247.071001(9) 3.11(3) h ε (99.96%) 247Bk (7/2+)# α (0.04%) 243Cm 248Cf 98 150 248.072185(6) 333.5(28) d α (99.99%) 244Cm 0+ SF (0.0029%) 다양 249Cf 98 151 249.0748535(24) 351(2) a α 245Cm 9/2- SF (5×10−7%) 다양 249mCf 144.98(5) keV 45(5) µs IT 249Cf 5/2+ 250Cf 98 152 250.0764061(22) 13.08(9) a α (99.92%) 246Cm 0+ SF (0.077%) 다양 251Cf[15] 98 153 251.079587(5) 900(40) a α 247Cm 1/2+ 252Cf[16] 98 154 252.081626(5) 2.645(8) a α (96.9%) 248Cm 0+ SF (3.09%)[17] 다양 253Cf 98 155 253.085133(7) 17.81(8) d β- (99.69%) 253Es (7/2+) α (0.31%) 249Cm 254Cf 98 156 254.087323(13) 60.5(2) d SF (99.69%) 다양 0+ α (0.31%) 250Cm β-β- (드묾) 254Fm 255Cf 98 157 255.09105(22)# 85(18) min β- (99.99%) 255Es (7/2+) SF (0.001%) 다양 α (10−5%) 251Cm 256Cf 98 158 256.09344(32)# 12.3(12) min SF (99%) 다양 0+ β- (1%) 256Es α (10−6%) 252Cm β-β- (드묾) 256Fm