캘리포늄 동위 원소

캘리포늄은 자연계에서 존재하지 않기 때문에 실험실이나 원자로에서 얻고 있다.
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.
반감기가 333.5일로 알파 붕괴하여 퀴륨-244로 붕괴한다.
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 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.
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.
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.
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.
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.
 핵종기호
 Z(p)
 N(n)
  동위 원소 질량 (u) 
 반감기
 붕괴방식ε: 전자 포획SF: 자발 핵분열
 붕괴생성물
 핵스핀
 들뜬 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) s39(+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
 5/2+
250Cf
 98
 152
250.0764061(22)
13.08(9) a
 α (99.92%)
 246Cm
0+
 SF (0.077%)
 다양
 251Cf
 98
 153
 251.079587(5)
 900(40) a
 α
 247Cm
 1/2+
252Cf
 98
 154
252.081626(5)
2.645(8) a
 α (96.9%)
 248Cm
0+
 SF (3.09%)
 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
동위 원소
 
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