トリウムの同位体

トリウム の同位体（90Th）
主な同位体[ 1 ]減衰
アイソトープ豊富半減期（t 1/2）モード製品
227番目 トレース18.693日α223ラ
228番目 トレース 1.9125年α224ラ
229番目 トレース 7916年α225ラ
230番目 0.02% 75, 400 年α226ラ
231番目 トレース 25.52時間β −231パ
232番目100.0% 1.40 × 10 10 年α228ラ
233番目 トレース 21.83分β −233パウエル
234番目 トレース 24.11日β −234パ
標準原子量A r °(Th)

トリウム（90 Th）には7つの天然同位体がありますが、どれも安定ではありません。232 Thは比較的安定しており、半減期は1.40×10 10年です。これは地球の年齢よりもかなり長く、一般に認められている宇宙の年齢よりもわずかに長いです。この同位体は天然トリウムのほぼすべてを構成するため、トリウムは一核種であると考えられていました。しかし、2013年にIUPACは深海水中に多量の230 Thが存在することを理由に、トリウムを二核種に再分類しました。トリウムは特徴的な地球上の同位体組成を持つため、標準的な原子量を与えることができます。

31種の放射性同位体が特徴付けられており、最も安定なのは232Th、230Th（半減期75,400年）、229Th（半減期7,916年）、228Th（半減期1.91年）である。残りの放射性同位体はすべて半減期が30日未満であり、その大部分は10分未満である。229Thという同位体は、励起エネルギーが著しく低い核異性体（準安定状態）を有し、 [ 4 ]最近測定された励起エネルギーは8.355 733 554 021 (8) eV [ 5 ] [ 6 ] 229 Th原子核のレーザー分光を行い、低エネルギー遷移を利用して極めて高精度の原子核時計を開発することが提案されている。 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

トリウムの既知の同位体は質量数が207 [ 10 ]から238の範囲である。

同位体のリスト

核種[ n 1 ]歴史的な名前 Z北同位体質量( Da ) [ 11 ] [ n 2 ] [ n 3 ]半減期[ 1 ] [ n 4 ]減衰モード[ 1 ] [ n 5 ]娘同位体[ n 6 ]スピンとパリティ[ 1 ] [ n 7 ] [ n 8 ]天然存在比（モル分率）
励起エネルギー 通常の割合[ 1 ]変動の範囲
207番目[ 10 ]90 117 9.7+46.6 −4.4 MSα203ラ
208番目 90 118 208.017915(34) 2.4(12)ミリ秒 α 204ラ 0歳以上
209番目 90 119 209.017998(27) 3.1(12)ミリ秒 α 205ラ 13/2+
210番目 90 120 210.015094(20) 16.0(36)ミリ秒 α 206ラ 0歳以上
211番目 90 121 211.014897(92) 48(20)ミリ秒 α 207ラ 5/2−#
212番目 90 122 212.013002(11) 31.7(13)ミリ秒 α 208ラ 0歳以上
213番目 90 123 213.0130115(99) 144(21)ミリ秒 α 209ラ 5/2−
213m木 1180.0(14) keV 1.4(4) μs それ213番目 (13/2)+
214番目 90 124 214.011481(11) 87(10)ミリ秒 α 210ラ 0歳以上
214m木 2181.0(27) keV 1.24(12)μs それ 214番目 8+#
215番目 90 125 215.0117246(68) 1.35(14)秒 α 211ラ （1/2−）
215m木 1471(50)# keV 770(60) ns それ 215番目 9/2+#
216番目 90 126 216.011056(12) 26.28(16)ミリ秒 α 212ラ 0歳以上
216m1木 2041(8) keV 135.4(29)μs IT（97.2％） 216番目 8歳以上
α（2.8％） 212ラ
216m2木 2648(8) keV 580(26) ns それ 216番目 （11歳未満）
216m3木 3682(8) keV 740(70) ns それ 216番目 （14歳以上）
217番目 90 127 217.013103(11) 248(4)μs α 213ラ 9/2+#
217m1木 673.3(1) keV 141(50) ns それ 217番目 （15/2−）
217m2木 2307(32) keV 71(14) μs それ 217番目 （25/2+）
218番目 90 128 218.013276(11) 122(5) ns α 214ラ 0歳以上
219番目 90 129 219.015526(61) 1.023(18) μs α 215ラ 9/2+#
220番目 90 130 220.015770(15) 10.2(3) μs α 216ラ 0歳以上
221番目 90 131 221.0181858(86) 1.75(2)ミリ秒 α 217ラ 7/2+#
222番目 90 132 222.018468(11) 2.24(3)ミリ秒 α 218ラ 0歳以上
223番目 90 133 223.0208111(85) 0.60(2)秒 α 219ラ (5/2)+
224番目 90 134 224.021466(10) 1.04(2)秒 α [ n 9 ]220ラ 0歳以上
225番目 90 135 225.0239510(55) 8.75(4)分 α（約90％） 221ラ 3/2以上
EC（約10％） 225エーカー
226番目 90 136 226.0249037(48) 30.70(3)分 α 222ラ 0歳以上
CD (<3.2 × 10 −12 % 208鉛18酸素
227番目 放射性アクチニウム 90 137 227.0277025(22) 18.693(4) d α 223ラ （1/2以上） トレース[ n 10 ]
228番目 放射性トリウム 90 138 228.0287397(19) 1.9125(7) 年 α 224ラ 0歳以上 トレース[ n 11 ]
CD (1.13×10 −11 %) 208鉛20 O
229番目 90 139 229.0317614(26) 7916(17)年 α 225ラ 5/2+ トレース[ n 12 ]
229m木 8.355733554021(8) eV [ 6 ]7(1) μs [ 12 ]IT [ n 13 ]229番目の+3/2以上
229m Th +8.355733554021(8) eV [ 6 ]29(1)分[ 13 ]γ [ n 13 ]229番目の+3/2以上
230番目[ n 14 ]イオニウム 90 140 230.0331323(13) 7.54(3)×10 4 年 α 226ラ 0歳以上 0.0002(2) [ n 15 ]
CD (5.8×10 −11 %) 206水銀24ネオン
SF (<4×10 −12 %) （様々な）
231番目 ウランY 90 141 231.0363028(13) 25.52(1) 時間 β −231パ 5/2+ トレース[ n 10 ]
232番目[ n 16 ]トリウム 90 142 232.0380536(15) 1.40(1)×10 10 年α [ n 17 ]228ラ 0歳以上 0.9998(2)
SF（1.1 × 10 −9 %） （様々な）
CD (<2.78×10 −10 %) 208,206水銀24,26 Ne
233番目 90 143 233.0415801(15) 21.83(4)分 β −233パウエル 1/2以上 トレース[ n 18 ]
234番目 ウラン1個90 144 234.0435998(28) 24.107(24) d β −234m Pa [ 14 ]0歳以上 トレース[ n 15 ]
235番目 90 145 235.047255(14) 7.2(1) 分 β −235 Pa 1/2+#
236番目 90 146 236.049657(15) 37.3(15)分 β −236 Pa 0歳以上
237番目 90 147 237.053629(17) 4.8(5)分 β −237パ 5/2+#
238番目 90 148 238.05639(30)# 9.4(20)分 β −238パウエル 0歳以上
この表のヘッダーとフッター:
  1. ^ m Th – 励起核異性体。
  2. ^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
  3. ^ # – 原子質量は # でマークされています。値と不確実性は純粋な実験データからではなく、少なくとも部分的に質量表面 (TMS) の傾向から導き出されています。
  4. ^大胆な半減期 – ほぼ安定しており、半減期は宇宙の年齢よりも長い。
  5. ^ 崩壊のモード:
    EC:電子捕獲
    CD：クラスター崩壊
    それ：異性体転移
  6. ^太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。
  7. ^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数によるスピンを示します。
  8. ^ # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種 (TNN) の傾向から導き出されたものです。
  9. ^ β + β +崩壊して224 Raに
  10. ^ a b 235 Uの中間崩壊生成物
  11. ^ 232 Thの中間崩壊生成物
  12. ^ 237 Npの中間崩壊生成物
  13. ^ a b中性トリウム229mは内部転換により急速に崩壊し、電子を放出します。2つ目の電子を放出するエネルギーが不足しているため、トリウム229m +イオンはガンマ線崩壊により崩壊し、より長く生存します。§トリウム229m を参照してください。
  14. ^ウラン-トリウム年代測定に使用
  15. ^ a b 238 Uの中間崩壊生成物
  16. ^原始放射性核種
  17. ^ β − β −崩壊して232 Uに
  18. ^ 232 Thによる中性子捕獲で生成される

用途

トリウムはトリウムベースの原子力発電に使用することが提案されている。

多くの国では、放射性物質であるトリウムを消費者製品に使用することは禁止または推奨されていません。

高温での物理的安定性と、表面から電子を除去するのに必要な作業エネルギーが低いという特徴から、現在は真空管の陰極に使用されています。

約 1 世紀の間、ガス灯やキャンプ用ランタンなどのガスおよび蒸気ランプのマントル部分に使用されてきました。

低分散レンズ

第二次世界大戦中、コダック社が製造したエアロ・エクターレンズの一部のガラスにもトリウムが使用されていました。そのため、これらのガラスは放射能を帯びています。 [ 15 ] f/2.5のエアロ・エクターレンズに使用されているガラスのうち、2枚は重量比で11%と13%のトリウムを含んでいます。トリウム含有ガラスが使用されたのは、屈折率が高く分散（波長による屈折率の変化）が低いという非常に望ましい特性を持つためです。現存するエアロ・エクターレンズの多くは、放射線によるガラスの損傷が原因で、茶色がかっています。

これらのレンズは、放射線レベルが短期間でフィルムを曇らせるほど高くないため、航空偵察に使用されました。これは、放射線レベルが十分に安全であることを示しています。しかし、使用していないときは、これらのレンズを通常の居住地域からできるだけ離れた場所に保管することが賢明です。そうすることで、放射線の二乗に反比例する関係によって放射線が減衰するからです。[ 16 ]

アクチニド対核分裂生成物

半減期によるアクチニドと核分裂生成物
アクチニド[ 17 ]崩壊系列による半減期 範囲（a） 235 Uの核分裂生成物（収量別） [ 18 ]
4 n（トリウム）4 n + 1 （ネプツニウム）4 n + 2 （ラジウム）4 n + 3 （アクチニウム）4.5～7% 0.04～1.25% <0.001%
228ラ№4～6歳155ユー・ユー
248冊[ 19 ]> 9 a
244センチメートル241 Puƒ250立方フィート 227 Ac№10～29歳90シニア 85クローネ 113m Cdþ
232 Uƒ238 Puƒ243センチメートル29～97年137セシウム 151スモールþ121m Sn
249 Cfƒ242m午前​141～351年

100 a～210 ka の範囲に 半減期を持つ核分裂生成物はありません...

241午前​251 Cfƒ [ 20 ]430～900年
226ラ№247ページ 1.3～1.6千年前
240プエルトリコ 229番目 246センチメートル243午前​4.7～7.4千年前
245センチメートル250センチメートル 8.3～8.5千年
239 Puƒ24.1万
230番目​231パ№32～76千年前
236 Npƒ233 Uƒ234 U№15万～25万年前99 Tc₡126スン
248センチメートル 242プソム 327～375万年前79セ₡
133万135セシウム₡
237 Npƒ161万～650万年前93 Zr 107パド
236ウ 247センチメートル1500万～2400万年前129 I₡
244プソム 8000万

...1570万年以降も存在しない[ 21 ]

232番​238 U№235 Uƒ№0.7～14.1億年

注目すべき同位体

トリウム228

228 Thは、中性子を138個持つトリウムの同位体ですトリウム232の崩壊系列に含まれることから、かつては放射性トリウムと名付けられていました。半減期は1.9125年です。アルファ崩壊して224 Raになります。時折、クラスター崩壊という特殊な経路で崩壊し、 20 Oの原子核を放出して安定な208 Pbを生成します。232 Uの娘同位体であり、放射線障害の原因となります。

崩壊生成物である224Raとともにアルファ粒子放射線療法に使用されます。[ 22 ]

トリウム229

229 Thはトリウムの放射性同位体で、アルファ線によって崩壊し、半減期は7916年です。229 Thはウラン233の崩壊によって生成され、主に医療用同位体であるアクチニウム225とビスマス213の製造に使用されます。 [ 23 ]

トリウム-229m

229 Thには核異性体があり、229メートルTh、励起エネルギーが著しく低い8.355 733 554 021 (8) eV。[ 6 ]

この低いエネルギーのため、229m Thの寿命は原子核の電子環境に大きく依存する。中性229 Thでは、異性体は数マイクロ秒以内に内部転換によって崩壊する。 [ 24 ] [ 25 ] [ 12 ] しかし、異性体のエネルギーは2番目の電子を除去するのに十分ではない（トリウムの2番目のイオン化エネルギーは11.5 eV）であるため、Th +イオンでは内部変換は不可能である。放射崩壊は半減期が8.4桁長く、1000秒を超える。[ 25 ] [ 26 ]イオン結晶 に埋め込まれると、イオン化は完全には100%ではないため、少量の内部変換が発生し、最近測定された寿命は≈600秒[ 5 ] [ 13 ]であり、孤立したイオンの寿命に外挿することができる。1740 ± 50秒[ 5 ]

この励起エネルギーは光子周波数に対応する。2 020 407 384 335 ± 2 kHz（波長148.382 182 8827 (15) nm）。[ 6 ] [ 27 ] [ 5 ] [ 13 ] 非常に高い周波数の真空紫外線周波数範囲ではあるが、この周波数で動作するレーザーを構築することは可能であり、原子核状態を直接レーザー励起できる唯一の既知の機会を提供し、[ 28 ]これは非常に高精度の原子核時計のような用途を持つ可能性がある[ 8 ] [ 9 ] [ 29 ] [ 30 ]または量子コンピューティング用の量子ビットとしての用途を持つ可能性がある[ 31 ]

これらの応用は、レーザー励起の高精度のために広い周波数範囲の探索が困難であり、異性体エネルギーの測定が不正確であったため、長らくその応用が阻まれてきました。2024年に周波数が正確に測定されるまで、 229 Thの異性体状態の遷移エネルギーを正確に決定し、その他の特性（寿命や磁気モーメントなど）を特定しようとする、理論的および実験的研究が数多く行われました。[ 5 ] [ 27 ] [ 13 ]

歴史

初期の測定はガンマ線分光法によって行われ、229 Thの29.5855 keV励起状態を観測し、 229m Th（90%）または229 Th（10%）異性体状態への崩壊時に放出されるガンマ線エネルギーの差を測定する。1976年、クローガーとライヒは変形核におけるコリオリの力の効果を理解しようとし、トリウムのガンマ線スペクトルを理論的な核形状モデルと一致させようと試みた。驚いたことに、既知の核状態は異なる全角運動量量子化レベルに合理的に分類できなかった。彼らは、以前229 Thとして特定されていたいくつかの状態は、実際にはスピンから生じたと結論付けた。3/2⁠核異性体229m Thは、励起エネルギーが著しく低い。[ 32 ]

当時、エネルギーは100 eV未満であると推定されていましたが、これは異性体の直接崩壊が観測されていないという理由のみに基づいていました。しかし、1990年にさらなる測定が行われ、エネルギーはほぼ確実に10 eV未満であることが結論付けられ、[ 33 ]これは既知の異性体励起エネルギーの中で最も低いものの一つです。その後数年間で、エネルギーはさらに制限されました。3.5 ± 1.0 eVであり、これは長い間受け入れられたエネルギー値であった。[ 34 ]

2007年には、先進的な高解像度X線マイクロカロリメータを用いた改良型ガンマ線分光測定が行われ、遷移エネルギーの新しい値が得られました。7.6 ± 0.5 eV、[ 35 ]補正後2009年には7.8 ± 0.5eVに達した。 [ 36 ]この高いエネルギーは、放出された光子を観測するこれまでの試みでは考慮されていなかった2つの結果をもたらす。

  • トリウムより上だから6.08 eVの第一イオン化エネルギーを持つ中性229m Thは、極めて低い確率で放射崩壊し、
  • それは6.2 eV真空紫外線カットオフのため、生成された光子は空気中を移動できません。

しかし、より高いエネルギーが判明していたにもかかわらず、2010年代に行われた異性体崩壊による光の探索のほとんどは、いかなる信号も観測できず、[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]、潜在的に強力な非放射崩壊経路の存在を示唆している。異性体崩壊で放出される光子の直接検出は、2012年[ 41 ]と2018年に報告された[ 42 ]。しかし、どちらの報告も、コミュニティ内で物議を醸す議論の対象となった[ 43 ] [ 44 ] 。

229m Thの内部転換崩壊チャネルで放出される電子の直接検出は2016年に達成された。[ 45 ]しかし、当時は異性体の遷移エネルギーは6.3～18.3 eVに弱く制限されるだけだった。最終的に、2019年に、異性体崩壊で放出される内部転換電子の非光学的電子分光法によって、異性体の励起エネルギーが決定された。8.28 ± 0.17 eV。[ 46 ]しかし、この値は2018年のプレプリントと矛盾しているようで、同様の信号が8.4 eVキセノンVUV光子は表示できるが、約1.3+0.2 −0.1 eV少ないエネルギーと（遡及的に正しい）寿命は1880 ± 170秒である。[ 42 ]その論文では、229ThがSiO2に埋め込まれ、エネルギーシフトと寿命の変化をもたらした可能性があるが、関与する状態は主に核であり、電子相互作用から保護されている。

2018年に行われた別の実験では、 229m Thの核特性を初めてレーザー分光法で評価することができました。[ 47 ]この実験では、 2%のイオンが核励起状態にある229 Th 2+イオン雲を用いて、 229 Th原子殻のレーザー分光を行いました。これにより、基底状態と異性体状態の異なる核スピン状態によって引き起こされる超微細シフトを調べることができました。このようにして、 229m Thの磁気双極子モーメントと電気四重極子モーメントの最初の実験値を推定することができました。

2019年に、異性体の励起エネルギーは内部転換電子の直接検出に基づくと8.28 ± 0.17 eV [ 46 ]であり、核基底状態からの229m Thの安全な分布は、29 keVの核励起状態をシンクロトロン放射で測定した。[ 48 ] 2020年に別のグループが行った追加測定では、8.10 ± 0.17 eV (153.1 ± 3.2 nmの波長）。[ 49 ] これらの測定値を組み合わせると、予想される遷移エネルギーは8.12 ± 0.11 eV . [ 50 ]

2022年9月、崩壊中のサンプルの分光分析により、励起エネルギーは8.338 ± 0.024 eV . [ 51 ]

2024年4月、2つの別々のグループが、イオン結晶（CaF 2とLiSrAlF 6に電荷補償のための格子間F -アニオンを追加）にドープされたTh 4+カチオンを精密レーザー励起し、遷移エネルギーの正確な（約1 ppm ）測定値を得たことを報告しました。 [ 27 ] [ 7 ] [ 5 ] [ 13 ] 1 ppm （10 −12）の測定は2024年6月にすぐに開始され、[ 6 ] [ 52 ]、将来の高精度レーザーは最大10 −12 の周波数を測定する予定である。最高の原子時計の精度は10 −18である。[ 6 ] [ 9 ] [ 30 ]

トリウム230

230 Thはトリウムの放射性同位体であり、サンゴの年代測定（ウラン-トリウム年代測定）や海流フラックスの測定に用いられます。イオニウム（記号Io）は、放射性元素研究の初期において、同位体の性質が完全に解明される以前に、 238 Uの崩壊系列で生成される230 Th同位体、この同位体を用いた別の年代測定法 であるイオニウム-トリウム年代測定でも現在も用いら​​れています

トリウム231

231 Thは141個の中性子を持ち、ウラン235の崩壊生成物です。地球上には微量に存在し、半減期は25.52時間です。 [ 53 ]崩壊するとベータ線を放出し、崩壊エネルギー0.39 MeVのプロトアクチニウム231を生成します。

トリウム232

232 Thはトリウムの唯一の原始核種であり、実質的に天然トリウムのすべてを構成しています。トリウムの他の同位体は、ウランとトリウムの比較的短寿命の崩壊生成物として微量にしか存在しません。 [ 54 ] この同位体はアルファ崩壊によって半減期1.40 × 1010年は地球の年齢の3倍以上、宇宙の年齢とほぼ同じです。その崩壊系列はトリウム系列で、最終的に鉛208で終わります。崩壊系列の残りの部分は短く、最も長い半減期はラジウム228で5.75年、トリウム228で1.91年で、その他の半減期はすべて1週間未満です。

トリウム232は中性子を吸収して核分裂性核種であるウラン233に変換される核親和性物質であり、トリウム燃料サイクルの基礎となっている。[ 55 ]二酸化トリウム懸濁液であるトロトラスト の形で、初期のX線診断における造影剤として使用されていた。トリウム232は現在、発がん性物質として分類されている。[ 56 ]

トリウム233

233 Thはトリウムの同位体で、ベータ崩壊によりプロトアクチニウム233に崩壊し、その後ウラン233に崩壊してネプツニウム系列の崩壊系列に加わります。半減期は21.83分です。自然界には、 232 Thの自然中性子放射化の結果として微量に存在します。 [ 57 ]

トリウム234

234 Thは、原子核に144個の中性子を含むトリウムの同位体です。234Thの半減期は24 .11日で、ベータ粒子を放出し、崩壊エネルギー約0.27 MeVでプロトアクチニウム234に変化します。ウラン238は、崩壊時にほぼ常にトリウムの同位体を生成します（ただし、まれに自発核分裂を起こし、さらにまれに二重ベータ崩壊を起こすこと）。

参考文献

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