프로트악티늄 동위 원소

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1. 개요

프로트악티늄 동위 원소는 프로트악티늄 원소의 다양한 핵종으로, 자연에 존재하는 두 가지 동위 원소(²³¹Pa, ²³⁴Pa)와 여러 인공 동위 원소를 포함한다. 프로트악티늄-231은 가장 수명이 긴 동위 원소로, 반감기는 32,760년이며, 우라늄-235의 붕괴 사슬에서 생성된다. 프로트악티늄-233은 토륨 연료 주기의 일부이며, 토륨-232가 중성자를 포획하여 생성된 토륨-233의 베타 붕괴를 통해 생성된다. 프로트악티늄-234는 반감기가 6.70시간인 우라늄 계열의 구성원이며, 프로트악티늄-234m은 반감기가 1.17분인 방사성 동위 원소이다. 프로트악티늄-230은 표적 알파 입자 치료법에 사용될 수 있는 우라늄-230의 모핵종이다. 프로트악티늄 동위 원소들은 주로 알파 붕괴를 통해 악티늄 동위 원소로 붕괴하거나, 베타 붕괴(β⁺)를 통해 토륨 동위 원소로 붕괴한다.

프로트악티늄 동위 원소

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1. 개요
2. 프로트악티늄 동위 원소
3. 프로트악티늄-230
4. 응용

2. 프로트악티늄 동위 원소

프로트악티늄은 자연에 존재하는 두 가지 동위 원소(²³¹Pa, ²³⁴Pa)와 여러 인공 동위 원소를 가지고 있다.

²³¹Pa은 프로트악티늄의 동위 원소 중 가장 수명이 길며, 우라늄-235의 붕괴 사슬에서 생성되어 악티늄 계열의 일부로 자연에서 극미량 발견된다. ²³⁴Pa는 우라늄 계열의 구성원으로, 6.70(5) 시간의 반감기를 가진다.

이 외에도 ²¹²Pa부터 ²⁴⁰Pa까지 다양한 인공 동위 원소가 존재하며, 대부분 짧은 반감기를 가진다. 이들의 반감기, 붕괴 방식, 붕괴 생성물, 핵 스핀은 아래 표와 같다.

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좌우로 밀어서 보기

핵종	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성물	핵 스핀
²¹²Pa	8(5) ms		7+#
²¹³Pa	7(3) ms	α	²⁰⁹Ac	9/2-#
²¹⁴Pa	17(3) ms	α	²¹⁰Ac
²¹⁵Pa	14(2) ms	α	²¹¹Ac	9/2-#
²¹⁶Pa	105(12) ms	α (80%)	²¹²Ac
²¹⁶Pa	105(12) ms	β⁺ (20%)	²¹⁶Th
²¹⁷Pa	3.48(9) ms	α	²¹³Ac	9/2-#
^217mPa	1.08(3) ms	α	²¹³Ac	29/2+#
^217mPa	1.08(3) ms	IT (드묾)	²¹⁷Pa	29/2+#
²¹⁸Pa	0.113(1) ms	α	²¹⁴Ac
²¹⁹Pa	53(10) ns	α	²¹⁵Ac	9/2-
²¹⁹Pa	53(10) ns	β⁺ (5×10⁻⁹%)	²¹⁹Th	9/2-
²²⁰Pa	780(160) ns	α	²¹⁶Ac	1-#
²²¹Pa	4.9(8) µs	α	²¹⁷Ac	9/2-
²²²Pa	3.2(3) ms	α	²¹⁸Ac
²²³Pa	5.1(6) ms	α	²¹⁹Ac
²²³Pa	5.1(6) ms	β⁺ (0.001%)	²²³Th
²²⁴Pa	844(19) ms	α (99.9%)	²²⁰Ac	5-#
²²⁴Pa	844(19) ms	β⁺ (0.1%)	²²⁴Th	5-#
²²⁵Pa	1.7(2) s	α	²²¹Ac	5/2-#
²²⁶Pa	1.8(2) min	α (74%)	²²²Ac
²²⁶Pa	1.8(2) min	β⁺ (26%)	²²⁶Th
²²⁷Pa	38.3(3) min	α (85%)	²²³Ac	(5/2-)
²²⁷Pa	38.3(3) min	ε (15%)	²²⁷Th	(5/2-)
²²⁸Pa	22(1) h	β⁺ (98.15%)	²²⁸Th	3+
²²⁸Pa	22(1) h	α (1.85%)	²²⁴Ac	3+
²²⁹Pa	1.50(5) d	ε (99.52%)	²²⁹Th	(5/2+)
²²⁹Pa	1.50(5) d	α (0.48%)	²²⁵Ac	(5/2+)
^229mPa	420(30) ns		3/2-
²³⁰Pa	17.4(5) d	β⁺ (91.6%)	²³⁰Th	(2-)
		β^- (8.4%)	²³⁰U
		α (0.00319%)	²²⁶Ac
²³²Pa	1.31(2) d	β^-	²³²U	(2-)
²³²Pa	1.31(2) d	ε (0.003%)	*²³²Th*	(2-)
²³³Pa	26.975(13) d	β^-	²³³U	3/2-
²³⁴Pa	6.70(5) h	β^-	²³⁴U	4+
²³⁴Pa	6.70(5) h	SF (3×10⁻¹⁰%)	다양	4+
^234mPa	1.17(3) min	β^- (99.83%)	²³⁴U	(0-)
		IT (0.16%)	²³⁴Pa
		SF (10⁻¹⁰%)	다양
²³⁵Pa	24.44(11) min	β^-	*²³⁵U*	(3/2-)
²³⁶Pa	9.1(1) min	β^-	²³⁶U	1(-)
²³⁶Pa	9.1(1) min	β^-, SF (6×10⁻⁸%)	다양	1(-)
²³⁷Pa	8.7(2) min	β^-	²³⁷U	(1/2+)
²³⁸Pa	2.27(9) min	β^-	*²³⁸U*	(3-)#
²³⁸Pa	2.27(9) min	β^-, SF (2.6×10⁻⁶%)	다양	(3-)#
²³⁹Pa	1.8(5) h	β^-	²³⁹U	(3/2)(-#)
²⁴⁰Pa	2# min	β^-	²⁴⁰U

2.1. 프로트악티늄-231

Protactinium^영어-231(²³¹Pa)은 프로트악티늄의 동위 원소 중 가장 수명이 길며, 반감기는 32,760년이다. 우라늄-235의 붕괴 사슬에서 생성되어 악티늄 계열의 일부로 자연에서 극미량 발견된다. 우라늄 광석에서 방사 평형 농도는 우라늄 100만 개당 46.55개의 ²³¹Pa이다. 원자로에서, 토륨 연료 주기의 부산물로 생성되는 몇 안 되는 장수명 방사성 악티나이드 중 하나이며, 고속 중성자가 ²³²Th 또는 ²³²U에서 중성자를 제거하는 (n,2n) 반응의 결과로 생성된다. 중성자 포획에 의해서도 파괴될 수 있지만, 이 반응의 중성자 단면적은 낮다.

가능한 모핵종은 ²³¹Th에서의 베타 붕괴, ²³¹U에서의 전자 포획, ²³⁵Np에서의 알파 붕괴이다. 스핀은 3/2−이다.

2.1.1. 핵적 특성

²³¹Pa은 알파 붕괴를 통해 악티늄-227(²²⁷Ac)로 붕괴하며, 극히 드물게 뭉치 붕괴나 자발 핵분열을 일으키기도 한다. 결합 에너지는 1759860 keV이고, 베타 붕괴 에너지는 -382 keV이다.

2.2. 프로트악티늄-233

프로트악티늄-233(Protactinium^영어-233)은 토륨 연료 주기의 일부이다. 이는 중성자 포획에 의해 천연 토륨-232로부터 생성된 토륨-233과 토륨 연료 주기의 핵분열성 연료인 우라늄-233 사이의 중간 베타 붕괴 생성물이다. 일부 토륨 주기 원자로 설계는 ²³³Pa이 추가적인 중성자 포획을 통해 연료로 유용하지 않은 ²³⁴Pa 및 U-234를 생성하는 것을 막기 위해 ²³³Pa을 중성자 포획으로부터 보호하려고 시도한다.

2.3. 프로트악티늄-234

프로트악티늄-234(²³⁴Pa)는 우라늄 계열의 구성원으로, 반감기는 6.70시간이다. 1921년 오토 한이 발견했다.

2.3.1. 프로트악티늄-234m

카지미에시 파얀스와 오스왈드 헬무트 괴링이 1913년에 발견하였으며, 짧은 반감기를 가졌기에 브레븀이라고 명명되었다. 약 99.8%의 ²³⁴Th 붕괴는 바닥 상태(t_1/2 = 6.70시간) 대신 이 이성질체를 생성한다.

2.4. 기타 동위 원소

프로트악티늄-212(²¹²Pa)부터 프로트악티늄-240(²⁴⁰Pa)까지 다양한 인공 동위 원소가 존재한다. 이들은 대부분 짧은 반감기를 가지며, 일부는 다음과 같은 붕괴 방식을 보인다.

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좌우로 밀어서 보기

핵종	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성물	핵 스핀
²¹²Pa	8(5) ms		7+#
²¹³Pa	7(3) ms	α	²⁰⁹Ac	9/2-#
²¹⁴Pa	17(3) ms	α	²¹⁰Ac
²¹⁵Pa	14(2) ms	α	²¹¹Ac	9/2-#
²¹⁶Pa	105(12) ms	α (80%)	²¹²Ac
²¹⁶Pa	105(12) ms	β⁺ (20%)	²¹⁶Th
²¹⁷Pa	3.48(9) ms	α	²¹³Ac	9/2-#
^217mPa	1.08(3) ms	α	²¹³Ac	29/2+#
^217mPa	1.08(3) ms	IT (드묾)	²¹⁷Pa	29/2+#
²¹⁸Pa	0.113(1) ms	α	²¹⁴Ac
²¹⁹Pa	53(10) ns	α	²¹⁵Ac	9/2-
²¹⁹Pa	53(10) ns	β⁺ (5×10⁻⁹%)	²¹⁹Th	9/2-
²²⁰Pa	780(160) ns	α	²¹⁶Ac	1-#
²²¹Pa	4.9(8) µs	α	²¹⁷Ac	9/2-
²²²Pa	3.2(3) ms	α	²¹⁸Ac
²²³Pa	5.1(6) ms	α	²¹⁹Ac
²²³Pa	5.1(6) ms	β⁺ (0.001%)	²²³Th
²²⁴Pa	844(19) ms	α (99.9%)	²²⁰Ac	5-#
²²⁴Pa	844(19) ms	β⁺ (0.1%)	²²⁴Th	5-#
²²⁵Pa	1.7(2) s	α	²²¹Ac	5/2-#
²²⁶Pa	1.8(2) min	α (74%)	²²²Ac
²²⁶Pa	1.8(2) min	β⁺ (26%)	²²⁶Th
²²⁷Pa	38.3(3) min	α (85%)	²²³Ac	(5/2-)
²²⁷Pa	38.3(3) min	ε (15%)	²²⁷Th	(5/2-)
²²⁸Pa	22(1) h	β⁺ (98.15%)	²²⁸Th	3+
²²⁸Pa	22(1) h	α (1.85%)	²²⁴Ac	3+
²²⁹Pa	1.50(5) d	ε (99.52%)	²²⁹Th	(5/2+)
²²⁹Pa	1.50(5) d	α (0.48%)	²²⁵Ac	(5/2+)
^229mPa	420(30) ns		3/2-
²³⁰Pa	17.4(5) d	β⁺ (91.6%)	²³⁰Th	(2-)
		β^- (8.4%)	²³⁰U
		α (0.00319%)	²²⁶Ac
²³²Pa	1.31(2) d	β^-	²³²U	(2-)
²³²Pa	1.31(2) d	ε (0.003%)	*²³²Th*	(2-)
²³³Pa	26.975(13) d	β^-	²³³U	3/2-
²³⁴Pa	6.70(5) h	β^-	²³⁴U	4+
²³⁴Pa	6.70(5) h	SF (3×10⁻¹⁰%)	다양	4+
^234mPa	1.17(3) min	β^- (99.83%)	²³⁴U	(0-)
		IT (0.16%)	²³⁴Pa
		SF (10⁻¹⁰%)	다양
²³⁵Pa	24.44(11) min	β^-	*²³⁵U*	(3/2-)
²³⁶Pa	9.1(1) min	β^-	²³⁶U	1(-)
²³⁶Pa	9.1(1) min	β^-, SF (6×10⁻⁸%)	다양	1(-)
²³⁷Pa	8.7(2) min	β^-	²³⁷U	(1/2+)
²³⁸Pa	2.27(9) min	β^-	*²³⁸U*	(3-)#
²³⁸Pa	2.27(9) min	β^-, SF (2.6×10⁻⁶%)	다양	(3-)#
²³⁹Pa	1.8(5) h	β^-	²³⁹U	(3/2)(-#)
²⁴⁰Pa	2# min	β^-	²⁴⁰U

3. 프로트악티늄-230

²³⁰Pa은 중성자 139개를 가지며 반감기는 17.4일이다. 주로 ²³⁰Th으로 양전자 방출 붕괴(92%)하며, 일부는 ²³⁰U으로 베타 마이너스 붕괴(8%)한다. 매우 드물게 ²²⁶Ac으로 알파 붕괴(0.003%)하기도 한다. 반감기가 짧고 ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th의 붕괴 사슬에서 발견되지 않아 자연에는 존재하지 않는다. 질량은 230.034541 u이다.

²³⁰Pa은 표적 알파 입자 치료법(TAT)에 쓰일 수 있는 동위 원소인 ²³⁰U의 모핵종으로 주목받고 있다. 자연 토륨에 양성자나 중수소를 조사하여 생성할 수 있다.

4. 응용

프로트악티늄은 방사성 독성 때문에 현재 상업적 응용은 제한적이다. ²³¹Pa은 과거 중성자 검출기의 교정원으로 사용되기도 했다. ²³³Pa은 토륨 연료 주기에서 중요한 역할을 하며, 차세대 원자로 개발에 있어 핵심적인 동위 원소이다.