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타이타늄 동위 원소

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목차

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.

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2. 타이타늄 동위원소 목록

기호Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴
방식[7]붕괴
생성물[8]핵 스핀자연
존재비
(몰 분율)들뜬 에너지38Ti221638.00977(27)#<120 ns2p36Ca0+39Ti221739.00268(22)#28.5(9) msβ+, p (93.7%)38Ca3/2+#rowspan=3|β+ (~6.3%)39Scβ+, 2p (?%)37K40Ti221839.990345(73)52.4(3) msβ+, p (95.8%)39Ca0+rowspan=2|β+ (4.2%)40Sc41Ti221940.983148(30)81.9(5) msβ+, p (91.1%)40Ca3/2+rowspan=2|β+ (8.9%)41Sc42Ti222041.97304937(29)208.3(4) msβ+42Sc0+43Ti222142.9685284(61)509(5) msβ+43Sc7/2−43m1Ti313.0(10) keV11.9(3) μsIT43Ti(3/2+)43m2Ti3066.4(10) keV556(6) nsIT43Ti(19/2−)44Ti222243.95968994(75)59.1(3) yEC44Sc0+45Ti222344.95812076(90)184.8(5) minβ+45Sc7/2−45mTi36.53(15) keV3.0(2) μsIT45Ti3/2−46Ti222445.952626356(97)안정0+0.0825(3)47Ti222546.951757491(85)안정5/2−0.0744(2)48Ti222647.947940677(79)안정0+0.7372(3)49Ti222748.947864391(84)안정7/2−0.0541(2)50Ti222849.944785.622(88)안정0+0.0518(2)51Ti222950.94660947(52)5.76(1) minβ−51V3/2−52Ti223051.9468835(29)1.7(1) minβ−52V0+53Ti223152.9496707(31)32.7(9) sβ−53V(3/2)−54Ti223253.950892(17)2.1(10) sβ−54V0+55Ti223354.955091(31)1.3(1) sβ−55V(1/2)−56Ti223455.95768(11)200(5) msβ−56V0+57Ti223556.96307(22)95(8) msβ−57V5/2−#58Ti223657.96681(20)55(6) msβ−58V0+59Ti223758.97222(32)#28.5(19) msβ−59V5/2−#59mTi108.5(5) keV615(11) nsIT59Ti1/2−#60Ti223859.97628(26)22.2(16) msβ−60V0+61Ti223960.98243(32)#15(4) msβ−61V1/2−#61m1Ti125.0(5) keV200(28) nsIT61Ti5/2−#61m2Ti700.1(7) keV354(69) nsIT61Ti9/2+#62Ti224061.98690(43)#9# ms
[>620 ns]β−?62V?0+63Ti224162.99371(54)#10# ms
[>620 ns]β−?63V?1/2−#64Ti224263.99841(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.

타이타늄 안정 동위 원소의 자연 존재비
핵종 기호Z(p)N(n)핵 스핀동위 원소 존재비 (몰 분율)
46Ti22240+0.0825(3)
47Ti22255/2-0.0744(2)
48Ti22260+0.7372(3)
49Ti22277/2-0.0541(2)
50Ti22280+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.[2] 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.[2] 흥미롭게도, 44Ti는 전자 포획 방식으로만 붕괴하기 때문에 원자가 완전히 이온화되어 전자가 없는 상태(Ti22+)가 되면 붕괴하지 않고 안정해진다.[3]44Ti는 항성 핵합성 과정, 특히 초신성 폭발 초기 단계에서 알파 과정을 통해 비교적 풍부하게 생성된다.[4] 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.[3] 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.[2][3]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.[2] 44Ti는 전자 포획만으로 붕괴하기 때문에, 이온화되어 전자를 잃으면 반감기가 길어진다. 특히 완전 이온화 상태(전하 +22)에서는 안정해진다.[3]44Ti는 항성 핵합성 과정과 초신성 폭발의 초기 단계에서 알파 과정을 통해 비교적 많이 만들어진다.[4] 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.[3] 카시오페이아 A 초신성 잔해와 SN 1987A에서는 44Ti가 비교적 높은 농도로 관측되었는데, 이는 초신성 잔해의 높은 이온화 조건 때문에 44Ti의 붕괴가 지연되었기 때문으로 설명된다.[2][3]

참조

[1] 웹사이트 Periodic Table of Elements: Ti - Titanium http://environmental[...] 2006-12-26
[2] 논문 Radioactivity of the key isotope 44Ti in SN 1987A 2004
[3] 논문 Titanium-44: Its effective decay rate in young supernova remnants, and its abundance in Cas A 2008
[4] 간행물 Nucleosynthesis in the Universe, Understanding 44Ti https://www.lanl.gov[...] Los Alamos National Laboratory 2011
[5] 웹사이트 Periodic Table of Elements: Ti - Titanium http://environmental[...] 2006
[6] 웹인용 Periodic Table of Elements: Ti - Titanium http://environmental[...] 2006-12-26
[7] URL http://www.nucleonic[...]
[8] 문서 굵은 글꼴은 안정 동위 원소


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