캘리포늄 동위 원소

캘리포늄은 자연계에서 존재하지 않기 때문에 실험실이나 원자로에서 얻고 있다.
# 캘리포늄-245
이 동위체는 원자로에서 생성되지 않기 때문에 실험실에서 퀴륨-242에 헬륨을 합성시켜 얻고 있으며 반감기가 45분으로 짧다. 짧은 반감기에 가속기 합성으로 얻고 있기 때문에 극소량만 얻을 수 있으며 실험용으로 이용되고 있다.
# 캘리포늄-248
반감기가 333.5일로 알파 붕괴하여 퀴륨-244로 붕괴한다.
# 캘리포늄-249
원자로에서 생성되는 동위체로 반감기는 351년이다. 열중성자 핵분열 효율이 84~86% 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 효율도 75~80%나 되기 때문에 효과적인 핵분열 연료이나 미량 생성되기 때문에 큰 의미는 없다. 원자로에서는 퀴륨-248이 중성자를 흡수하여 퀴륨-249가 된 후 버클륨-249로 붕괴하는데 이 동위체의 반감기가 330일이나 되기 때문에 대부분의 동위체는 캘리포늄-249로 붕괴하기 전에 중성자를 흡수하여 버클륨-250이 된 후 캘리포늄-250이 된다. 하지만 이러한 핵반응 순서 덕분에 캘리포늄-252가 대량 생성될 수 있는 조건이 제공된다. 임계질량은 6kg이며, 중성자 반사제를 이용하면 1.8kg까지 줄일 수 있지만 극미량 생성되기 때문에 실제 핵무기 제조는 불가능하다.
# 캘리포늄-250
캘리포늄 동위체 중 비교적 다량 생성되나 반감기는 13.08년으로 짧기 때문에 큰 의미는 없다. 자발 핵분열 비율이 매우 높아 위험한 핵 폐기물로 분류되며 중성자를 매우 잘 흡수하는 성질을 가지고 있어 251Cf의 합성에 이용되고 있다.
# 캘리포늄-251
반감기가 900년이나 되고 자발핵분열 비율도 낮아 좋은 핵연료와 핵무기 재료이지만 극미량밖에 얻는 것만이 가능하므로 이들 용도로 이용하는 것은 불가능하다. 임계질량은 5kg이며 중성자 반사제를 이용하면 1.4kg까지 줄일 수 있다. 열중성자 핵분열 효율이 68~74%, 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 71~76%로 핵분열 효율도 매우 높다. 이 동위체는 반감기가 900년이나 되기 때문에 안정적으로 보관할 수 있으며, 캘리포늄의 화학적 성질에 대해 연구하는데 중요한 동위체이다. 열중성자의 중성자 흡수율이 매우 높은데 이 특성을 통해 캘리포늄-252를 대량 생성하는데 이용되고 있다.
# 캘리포늄-252
반감기가 2.645년으로 매우 짧으면서 자발핵분열 비율도 3.09%로 매우 높기 때문에 많은 중성자를 내뿜는다. 이 특성을 이용하여 1ug의 극소량으로도 중성자 수분계, 의학 용도, 중성자 탐지기로 이용할 수 있다. 또한 원자로 내의 중성자 공급원으로도 이용되기도 한다. 다만 반감기가 짧기 때문에 해를 거듭할수록 방출되는 중성자의 수가 급감하므로 8~10년이 지나면 새걸로 갈아주어야 한다. 캘리포늄-250과 251의 높은 열중성자 흡수율 덕분에 이 동위체는 캘리포늄 동위 원소들 중 가장 많이 생성되는 동위체이다. 자발핵분열 비율이 높기 때문에 중성자를 흡수하면 65~70%가 스스로 핵분열을 하고 30~35% 가량의 핵분열성인 동위체인 캘리포늄-253이 생성되므로 연쇄 핵반응의 좋은 연료이며, 핵연료로도 사용할 수 있지만, 다음 핵분열성 동위체인 캘리포늄-253의 반감기가 17.81일밖에 되지 않아 비효율적이다. 하지만 이 비효율적인 면이 캘리포늄-252의 반감기를 정확히 측정할 수 있도록 도움을 주었다. 퀴륨-250은 많은 자발핵분열로 인해 생성된 중성자로 캘리포늄-251이 다량 생성되는데, 이 동위체는 반감기가 길어 중성자를 맞고 충분히 핵분열을 하고 추가 중성자를 방출할 수 있는 시간이 주어짐에 따라 이 동위체가 본래 반감기보다 더 빨리 붕괴하게 되고 시료가 오염되므로 정확한 반감기를 측정하는데 상당히 곤란했지만, 캘리포늄-253은 반감기가 짧아 비핵분열성 동위체인 아인슈타이늄-253으로 대다수 붕괴되기 때문에 시료가 덜 오염되어 정확한 반감기를 측정할 수 있게 되었다. 다만 많은 중성자를 내뿜는 특성 때문에 캘리포늄 동위원소들 중 가장 주요시 되는 동위체이며 의학, 과학, 산업 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
# 캘리포늄-253
열중성자의 핵분열 효율이 98%이며, 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 비율이 60%로 상당히 훌륭한 핵연료이나 반감기가 17.81일로 매우 짧아 금방 253Es으로 붕괴되고 양도 매우 적게 생성되기 때문에 실험용으로 이용되고 있다. 캘리포늄-252의 높은 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 인해 캘리포늄-253이 생성되고 다시 중성자 폭격으로 캘리포늄-253 중 일부는 캘리포늄-254로 변환되는데 이 동위체는 대부분 자발핵분열로 붕괴하여 캘리포늄-252의 자발 핵분열성 중성자 생성에 기여하게 된다. 또한 253Es은 반감기가 20.47일로 짧아 금방 다시 핵 사이클이 시작되는 249Bk로 붕괴되는데 이러한 핵반응 과정은 캘리포늄-252가 많이 생성될 수 있는 조건을 만들어준다.
# 캘리포늄-254
반감기가 60.5일로 매우 짧으면서 대부분이 자발핵분열로 붕괴한다. 또한 0.31%는 알파 붕괴를 하는데 이 붕괴의 생성물도 자발핵분열을 주로 일으키는 퀴륨-250으로 붕괴한다. 원자로에서 극미량 생성되며, 캘리포늄-252 덩어리에서도 자발 핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 일부 생성되는데 이 동위체의 붕괴 방식은 캘리포늄-252의 중성자 생성과 동위체의 변환에 영향을 준다. 원자로에서 이 동위체는 극미량 생성되기는 하지만 대부분 핵분열 생성물로 붕괴하기 때문에 검출량은 미미하며, 원자로의 중성자 공급에 약간이나마 기여하는 동위체이다.
# 표
{| class="wikitable" | 핵종
기호 ! Z(p) ! N(n) !
동위 원소 질량 (u)
! rowspan="2" | 반감기 ! rowspan="2" | 붕괴
방식url-status=약자:
ε: 전자 포획
SF: 자발 핵분열 ! rowspan="2" | 붕괴
생성물 ! rowspan="2" | 핵
스핀 |- ! colspan="3" | 들뜬 에너지 |- | rowspan=3|237Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 139 | rowspan=3|237.06207(54)# | rowspan=3|2.1(3) s | SF | 다양 | rowspan=3|5/2+# |- | β+ | 237Bk |- | α | 233Cm |- | rowspan=3|238Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 140 | rowspan=3|238.06141(43)# | rowspan=3|21.1(13) ms | SF | 다양 | rowspan=3|0+ |- | β+ (드묾) | 238Bk |- | α (드묾) | 234Cm |- | rowspan=2|239Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 141 | rowspan=2|239.06242(23)# | rowspan=2|60(30) s
[39(+37-12) s] | α | 235Cm | rowspan=2|5/2+# |- | β+ (드묾) | 239Bk |- | rowspan=3|240Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 142 | rowspan=3|240.06230(22)# | rowspan=3|1.06(15) min | α (98%) | 236Cm | rowspan=3|0+ |- | SF (2%) | 다양 |- | β+ (드묾) | 240Bk |- | rowspan=2|241Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 143 | rowspan=2|241.06373(27)# | rowspan=2|3.78(70) min | β+ (75%) | 241Bk | rowspan=2|7/2-# |- | α (25%) | 237Cm |- | rowspan=3|242Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 144 | rowspan=3|242.06370(4) | rowspan=3|3.49(15) min | α (80%) | 238Cm | rowspan=3|0+ |- | β+ (20%) | 242Bk |- | SF (0.014%) | 다양 |- | rowspan=2|243Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 145 | rowspan=2|243.06543(15)# | rowspan=2|10.7(5) min | β+ (86%) | 243Bk | rowspan=2|(1/2+) |- | α (14%) | 239Cm |- | rowspan=2|244Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 146 | rowspan=2|244.066001(3) | rowspan=2|19.4(6) min | α (99%) | 240Cm | rowspan=2|0+ |- | ε (1%) | 244Bk |- | rowspan=2|245Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 147 | rowspan=2|245.068049(3) | rowspan=2|45.0(15) min | β+ (64%) | 245Bk | rowspan=2|(5/2+) |- | α (36%) | 241Cm |- | rowspan=3|246Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 148 | rowspan=3|246.0688053(22) | rowspan=3|35.7(5) h | α | 242Cm | rowspan=3|0+ |- | ε (5×10−4%) | 246Bk |- | SF (2×10−4%) | 다양 |- | rowspan=2|247Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 149 | rowspan=2|247.071001(9) | rowspan=2|3.11(3) h | ε (99.96%) | 247Bk | rowspan=2|(7/2+)# |- | α (0.04%) | 243Cm |- | rowspan=2|248Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 150 | rowspan=2|248.072185(6) | rowspan=2|333.5(28) d | α (99.99%) | 244Cm | rowspan=2|0+ |- | SF (0.0029%) | 다양 |- | rowspan=2|249Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 151 | rowspan=2|249.0748535(24) | rowspan=2|351(2) a | α | 245Cm | rowspan=2|9/2- |- | SF (5×10−7%) | 다양 |- | | 249mCf | colspan="3" | 144.98(5) keV | 45(5) µs | | | 5/2+ |- | rowspan=2|250Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 152 | rowspan=2|250.0764061(22) | rowspan=2|13.08(9) a | α (99.92%) | 246Cm | rowspan=2|0+ |- | SF (0.077%) | 다양 |- | 251Cf중성자 단면적이 높아 중성자 흡수율이 높다. | | 98 | | 153 | 251.079587(5) | 900(40) a | α | 247Cm | 1/2+ |- | rowspan=2|252Cf가장 흔한 동위 원소 | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 154 | rowspan=2|252.081626(5) | rowspan=2|2.645(8) a | α (96.9%) | 248Cm | rowspan=2|0+ |- | SF (3.09%)핵분열당 평균 3.7개의 중성자를 방출한다. | 다양 |- | rowspan=2|253Cf | rowspan=2 | 98 | rowspan=2 | 155 | rowspan=2|253.085133(7) | rowspan=2|17.81(8) d | β- (99.69%) | 253Es | rowspan=2|(7/2+) |- | α (0.31%) | 249Cm |- | rowspan=3|254Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 156 | rowspan=3|254.087323(13) | rowspan=3|60.5(2) d | SF (99.69%) | 다양 | rowspan=3|0+ |- | α (0.31%) | 250Cm |- | β-β- (드묾) | 254Fm |- | rowspan=3|255Cf | rowspan=3 | 98 | rowspan=3 | 157 | rowspan=3|255.09105(22)# | rowspan=3|85(18) min | β- (99.99%) | 255Es | rowspan=3|(7/2+) |- | SF (0.001%) | 다양 |- | α (10−5%) | 251Cm |- | rowspan=4|256Cf | rowspan=4 | 98 | rowspan=4 | 158 | rowspan=4|256.09344(32)# | rowspan=4|12.3(12) min | SF (99%) | 다양 | rowspan=4|0+ |- | β- (1%) | 256Es |- | α (10−6%) | 252Cm |- | β-β- (드묾) | 256Fm |}