Изотопи на ториумот

Ториумот (<sub>90</sub>Th) има седум природни изотопи, но ниту еден не е стабилен. Изотопот <sup>232</sup>Th е ''релативно'' стабилен, со време на полураспад од 1,405×10<sup>10</sup> години, значително подолг од староста на Земјата, па дури и малку подолг од општоприфатената возраст на универзумот. Овој изотоп го сочинува речиси целиот природен ториум, така што ториумот се сметал за еднонуклиден. Меѓутоа, во 2013 година, Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија го рекласифицирал ториумот како бинуклиден, поради големите количини од <sup>230</sup>Th во длабоката морска вода. Ториумот има особен земен изотопски состав и на тој начин може да се даде стандардна атомска тежина.
Определен е 31 радиоизотоп, од кои најстабилни се <sup>232</sup>Th, <sup>230</sup>Th со време на полураспад од 75.380 години, <sup>229</sup>Th со време на полураспад од 7.917 години и <sup>228</sup>Th со време на полураспад од 1,92 години. Сите преостанати радиоактивни изотопи имаат време на полураспад помало од триесет дена, а повеќето од нив имаат време на полураспад помало од десет минути. Еден изотоп, <sup>229</sup>Th, има јадрен изомер (или метастабилна состојба) со извонредно ниска побудна енергија, неодамна измерена на eV. Предложено е да се изврши ласерска спектроскопија на јадрото на <sup>229</sup>Th и да се користи преод со ниска енергија за развој на јадрен часовник со исклучително висока точност.
Масените бројеви на познатите изотопи на ториумот се движат од 207 до 238.
1 Список на изотопите
<sup>207</sup>Th, 90, 117, α, <sup>203</sup>Ra
<sup>208</sup>Th, 90, 118, 208,017915(34), 2,4(12) мс, α, <sup>204</sup>Ra, 0+
<sup>209</sup>Th, 90, 119, 209,017998(27), 3,1(12) мс, α, <sup>205</sup>Ra, 13/2+
<sup>210</sup>Th, 90, 120, 210,015094(20), 16,0(36) мс, α, <sup>206</sup>Ra, 0+
<sup>211</sup>Th, 90, 121, 211,014897(92), 48(20) мс, α, <sup>207</sup>Ra, 5/2−#
<sup>212</sup>Th, 90, 122, 212,013002(11), 31,7(13) мс, α, <sup>208</sup>Ra, 0+
<sup>213</sup>Th, 90, 123, 213,0130115(99), 144(21) мс, α, <sup>209</sup>Ra, 5/2−
<sup>213m</sup>Th, 1180,0(14) keV, 1,4(4) μс, IT, <sup>213</sup>Th, (13/2)+
<sup>214</sup>Th, 90, 124, 214,011481(11), 87(10) мс, α, <sup>210</sup>Ra, 0+
<sup>214m</sup>Th, 2181,0(27) keV, 1,24(12) μс, IT, <sup>214</sup>Th, 8+#
<sup>215</sup>Th, 90, 125, 215,0117246(68), 1,35(14) с, α, <sup>211</sup>Ra, (1/2−)
<sup>215m</sup>Th, 1471(50)# keV, 770(60) нс, IT, <sup>215</sup>Th, 9/2+#
<sup>216</sup>Th, 90, 126, 216,011056(12), 26,28(16) мс, α, <sup>212</sup>Ra, 0+
<sup>216m1</sup>Th, 2041(8) keV, 135,4(29) μс, IT (97,2%), <sup>216</sup>Th, 8+
α (2,8%), <sup>212</sup>Ra
<sup>216m2</sup>Th, 2648(8) keV, 580(26) нс, IT, <sup>216</sup>Th, (11−)
<sup>216m3</sup>Th, 3682(8) keV, 740(70) нс, IT, <sup>216</sup>Th, (14+)
<sup>217</sup>Th, 90, 127, 217,013103(11), 248(4) μс, α, <sup>213</sup>Ra, 9/2+#
<sup>217m1</sup>Th, 673,3(1) keV, 141(50) нс, IT, <sup>217</sup>Th, (15/2−)
<sup>217m2</sup>Th, 2307(32) keV, 71(14) μс, IT, <sup>217</sup>Th, (25/2+)
<sup>218</sup>Th, 90, 128, 218,013276(11), 122(5) нс, α, <sup>214</sup>Ra, 0+
<sup>219</sup>Th, 90, 129, 219,015526(61), 1,023(18) μс, α, <sup>215</sup>Ra, 9/2+#
<sup>220</sup>Th, 90, 130, 220,015770(15), 10,2(3) μс, α, <sup>216</sup>Ra, 0+
<sup>221</sup>Th, 90, 131, 221,0181858(86), 1,75(2) мс, α, <sup>217</sup>Ra, 7/2+#
<sup>222</sup>Th, 90, 132, 222,018468(11), 2,24(3) мс, α, <sup>218</sup>Ra, 0+
<sup>223</sup>Th, 90, 133, 223,0208111(85), 0,60(2) с, α, <sup>219</sup>Ra, (5/2)+
<sup>224</sup>Th, 90, 134, 224,021466(10), 1,04(2) с, α, <sup>220</sup>Ra, 0+
<sup>225</sup>Th, 90, 135, 225,0239510(55), 8,75(4) мин, α (~90%), <sup>221</sup>Ra, 3/2+
EC (~10%), <sup>225</sup>Ac
<sup>226</sup>Th, 90, 136, 226,0249037(48), 30,70(3) мин, α, <sup>222</sup>Ra, 0+
CD (<%), <sup>208</sup>Pb<sup>18</sup>O
<sup>227</sup>Th, Radioactinium, 90, 137, 227,0277025(22), 18,693(4) д, α, <sup>223</sup>Ra, (1/2+), Трага<sup>228</sup>Th, RadioТориум, 90, 138, 228,0287397(19), 1,9125(7) г, α, <sup>224</sup>Ra, 0+, Трага
CD (1,13×10<sup>−11</sup>%), <sup>208</sup>Pb<sup>20</sup>O
<sup>229</sup>Th, 90, 139, 229,0317614(26), 7916(17) г, α, <sup>225</sup>Ra, 5/2+, Трага, <sup>229</sup>Th<sup>+</sup>, 3/2+
<sup>229m</sup>Th<sup>+</sup>, 8,355733554021(8) eV, 29(1) мин, γ<ref, <sup>229</sup>Th<sup>+</sup>, 3/2+
<sup>230</sup>Th, Ionium, 90, 140, 230,0331323(13), 7,54(3)×10<sup>4</sup> г, α, <sup>226</sup>Ra, 0+, 0,0002(2)
CD (5,8×10<sup>−11</sup>%), <sup>206</sup>Hg<sup>24</sup>Ne
SF (<4×10<sup>−12</sup>%), (Разно)
<sup>231</sup>Th, Ураниум Y, 90, 141, 231,0363028(13), 25,52(1) ч, β<sup>−</sup>, <sup>231</sup>Pa, 5/2+, Трага<sup>232</sup>Th, Ториум, 90, 142, 232,0380536(15), 1,40(1)×10<sup>10</sup> г, α, <sup>228</sup>Ra, 0+, 0,9998(2)
SF (1,1×10<sup>−9</sup>%), (Разно)
CD (<2,78×10<sup>−10</sup>%), <sup>208</sup>Hg<sup>24</sup>Ne
CD (<2,78×10<sup>−10</sup>%), <sup>206</sup>Hg<sup>26</sup>Ne
<sup>233</sup>Th, 90, 143, 233,0415801(15), 21,83(4) мин, β<sup>−</sup>, <sup>233</sup>Pa, 1/2+, Трага<sup>234</sup>Th, Uranium X<sub>1</sub>, 90, 144, 234,0435998(28), 24,107(24) д, β<sup>−</sup>, <sup>234m</sup>Pa, 0+, Трага<sup>235</sup>Th, 90, 145, 235,047255(14), 7,2(1) мин, β<sup>−</sup>, <sup>235</sup>Pa, 1/2+#
<sup>236</sup>Th, 90, 146, 236,049657(15), 37,3(15) мин, β<sup>−</sup>, <sup>236</sup>Pa, 0+
<sup>237</sup>Th, 90, 147, 237,053629(17), 4,8(5) мин, β<sup>−</sup>, <sup>237</sup>Pa, 5/2+#
<sup>238</sup>Th, 90, 148, 238,05639(30)#, 9,4(20) мин, β<sup>−</sup>, <sup>238</sup>Pa, 0+
2 Употреба
Ториумот е предложен за употреба во ториумовата јадрена енергија.
Во многу земји употребата на ториумот во производите за широка потрошувачка е забранета или обесхрабрена бидејќи е радиоактивен.
Денес се користи во катодите на вакуумски цевки, за постигнување на физичка стабилност при висока температура и ниска работна енергија потребна за отстранување на електрон од неговата површина.
Околу еден век се користи во обвивки од гасни и парни светилки, како што се гасни светла и фенери за кампување.
2.1 Леќи со ниска дисперзија
Ториумот се користел и во одредени стаклени елементи на леќите Аеро-Ектар направени од Кодак за време на Втората светска војна. Така тие се благо радиоактивни. Два од стаклените елементи во f/2.5 Аеро-Ектар леќите тежински содржат 11% и 13% ториум. Очилата што содржат ториум се користени затоа што имаат висок показател на прекршување со мало расејување (варијација на показателот со брановата должина), што е многу пожелно својство. Многу преживеани леќи Аеро-Ектар имаат нијанса во боја на чај, веројатно поради радијационо оштетување на стаклото.
Овие леќи се користеле за воздушно извидување бидејќи нивото на радијација не е доволно високо за да го замагли филмот за кратко време. Ова покажува дека нивото на радијација е разумно безбедно. Меѓутоа, кога не се користат, би било разумно овие леќи да се чуваат колку што е можно подалеку од нормално населените области. Зрачењето се ублажува обратно сразмерно на квадратот на растојанието.
3 Забележителни изотопи
3.1 Ториум-228
<sup>228</sup>Th е изотоп на ториумот со 138 неутрони. Некогаш бил именуван ''радиториум'', поради неговата појава во распадната низа на ториумот-232. Има време на полураспад од 1,9116 години. Тој е подложен на алфа-распад до <sup>224</sup>Ra. Повремено се распаѓа по невообичаниот пат на гроздест распад, испуштајќи јадро од <sup>20</sup>O и произведувајќи стабилен <sup>208</sup>Pb. Тој е ќерка изотоп на <sup>232</sup>U во ториумовата распадна низа.
<sup>228</sup>Th има атомска тежина од 228,0287411 грама/мол.
Заедно со неговиот распаден производ <sup>224</sup>Ra се користи за терапија со зрачење со алфа-честички.
3.2 Ториум-229
<sup>229</sup>Th е радиоактивен изотоп на ториумот кој се распаѓа со алфа емисија со време на полураспад од 7917 години. <sup>229</sup>Th се добива со распаѓање на ураниум-233, а неговата главна употреба е за производство на медицински изотопи актиниум-225 и бизмут-213.
3.2.1 Ториум-229m
<sup>229</sup>Th има јадрен изомер, , со извонредно ниска побудна енергија од .
Животниот век на <sup>229m</sup>Th, поради оваа мала побудна енергија, многу зависи од електронската средина на јадрото. Во неутрален <sup>229</sup>Th, изомерот со внатрешна конверзија се распаѓа во рок од неколку микросекунди. Сепак, изомерната енергија не е доволна за да се отстрани вториот електрон (втората енергија на јонизација на ториумот е eV), така што внатрешната конверзија е невозможна кај Th<sup>+</sup> јони. Радијативното распаѓање се јавува со подолго време на полураспад од 8,4 реда на големина, повеќе од 1000 секунди. Вградени во јонски кристали, јонизацијата не е стопостотна, така што се јавува мала количина на внатрешна конверзија, што доведува до неодамна измерен животен век од ≈ с, што може да се екстраполира до цел животен век за изолирани јони од с.
Оваа побудна енергија одговара на фотонска честота од килохерца (бранова должина нм). Иако во опсегот на многу висока вакуумска ултравиолетова честота, можно е да се изгради ласер кој работи на оваа честота, давајќи ја единствената позната можност за непосредно ласерско побудување на јадрена состојба, which could have applications like a nuclear clock of very high accuracy или како кубит во квантното компјутерство.
Овие примени долго време биле попречени од непрецизни мерења на изомерната енергија, бидејќи исклучителната прецизност на ласерското побудување го отежнува користењето за пребарување на широк опсег на честоти. Имало многу истражувања, и теоретски и опитни, обидувајќи се прецизно да ја одредат преодната енергија и да ги определат другите својства на изомерната состојба на <sup>229</sup>Th (како што се животниот век и магнетниот момент) пред точно да се измери честотата во 2024 година.
3.2.1.1 Историја
Раните мерења биле вршени со спектроскопија со гама-зраци, произведувајќи keV побудена состојба на <sup>229</sup>Th, и мерење на разликата во емитираните енергии на гама-зраците додека се распаѓа до изомерни состојби или <sup>229m</sup>Th (90%) или <sup>229</sup>Th (10%). Во 1976 година, Крогер и Рајх се обиделе да ги разберат ефектите на Кориолисовата сила во деформираните јадра и се обиделе да го усогласат спектарот на гама-зраците на ториумот со теоретските модели на јадрен облик. На нивно изненадување, познатите јадрени состојби не можеле разумно да се класифицираат на различни нивоа на квантизација на вкупниот аголен момент. Тие заклучиле дека некои состојби претходно идентификувани како <sup>229</sup>Th всушност настанале од спинов- јадрен изомер <sup>229m</sup>Th, со извонредно ниска побудна енергија.
Во тоа време се заклучило дека енергијата е под 100 eV, чисто врз основа на што немало забележано (при набљудувањето) на непосредно распаѓање на изомерот. Меѓутоа, во 1990 година, понатамошните мерења довеле до заклучок дека енергијата е речиси сигурно под 10 eV, што ја прави една од најниските познати изомерни побудни енергии. Во следните години, енергијата била дополнително ограничена на eV, што долго време била прифатена како енергетска вредност.
Со помош на напреден микрокалориметар на Х-зраци со висока резолуција, во 2007 година биле извршени подобрени мерења со спектроскопија на гама-зраци, при што се добила нова вредност за преодната енергија од eV, во 2009 година поправена на eV. Оваа повисока енергија имала две последици кои не биле земени предвид од претходните обиди да се набљудуваат емитирани фотони:
* Затоа што е над ториумовата прва јонизациска енергија од eV, <sup>229m</sup>Th ќе се распадне радијативно со екстремно мала веројатност, и
* Затоа што е над вакуумсиот ултравиолетов прекин од 6,2 eV, произведените фотони не можат да патуваат низ воздухот.
Но, дури и знаејќи ја повисоката енергија, повеќето од истражувањата во 2010-тите за светлост емитирана од изомерниот распад не успеале да забележат никаков сигнал, насочувајќи кон потенцијално силен нерадијативен канал на распаѓање. Во 2012 година и повторно во 2018 година било побарано непосредно откривање на фотони емитирани при изомерниот распад. Овие два извештаи биле предмет на противречни расправи во заедницата.
Во 2016 година било постигнато непосредно откривање на електрони кои се емитуваат во распадниот канал за внатрешна конверзија на <sup>229m</sup>Th. Меѓутоа, во тоа време, преодната енергија на изомерот можела да биде само слабо ограничена помеѓу 6,3 и 18,3 eV. Конечно, во 2019 година, неоптичката електронска спектроскопија на електроните од внатрешна конверзија емитирани при изомерниот распад овозможила определување на изомерната побудна енергија на eV. Сепак, оваа вредност била во спротивност со подготвителен труд од 2018 година што покажувал дека сличен сигнал како eV VUV фотон на ксенон може да се прикаже, но со околу eV помалку енергија и (ретроспективно точно) со животен век од с. Во тој труд, <sup>229</sup>Th бил внедрен во SiO<sub>2</sub>, што веројатно резултирало со енергетско поместување и променет животен век, иако вклучените состојби се првенствено јадрени, што ги штити од електронски заемодејства.
Во друг опит од 2018 година, било можно да се изврши првата ласерско-спектроскопска карактеризација на јадрените својства на <sup>229m</sup>Th. Во овој опит, била спроведена ласерска спектроскопија на атомската обвивка на <sup>229</sup>Th со користење на јонски облак од <sup>229</sup>Th<sup>2+</sup> со 2% од јоните во јадрена побудена состојба. Ова овозможило сондирање за хиперфиното поместување предизвикано од различните состојби на јадрено вртење на основната и на изомерната состојба. На овој начин, може да се заклучи првата опитна вредност за магнетниот дипол и електричниот четириполен момент на <sup>229m</sup>Th.
Во 2019 година, побудната енергија на изомерот била ограничена на eV врз основа на непосредно откривање на електрони за внатрешна конверзија и сигурна популација од <sup>229m</sup>Th од основната јадрена состојба била постигната со побудување на keV јадрена побудена состојба преку синхротронско зрачење. Дополнителните мерења од друга група во 2020 година довеле до бројка од eV ( нм бранова должина). Со комбинирање на овие мерења, очекуваната преодна енергија е eV.
Во септември 2022 година, спектроскопијата на распадните примероци определила дека побудната енергија е eV.
Во април 2024 година, две одделни групи конечно пријавиле прецизни катјони со ласерско побудување Th4+ допирани во јонски кристали (на CaF2 и LiSrAlF6 со дополнителни интерстицијални F- анјони за компензација на полнеж), давајќи прецизно (~ 1 дел на милион) мерење на преодната енергија. Во јуни 2024 година следело мерење од еден дел на трилион, и идните високопрецизни ласери ќе ја мерат честотата со точност на најдобрите атомски часовници од .
3.3 Ториум-230
<sup>230</sup>Th е радиоактивен изотоп на ториумот кој може да се користи за датирање на корали и одредување на проток на океанска струја. Името јониум му било дадено во почетокот на проучувањето на радиоактивните елементи на изотопот <sup>230</sup>Th добиен во распадната низа од <sup>238</sup>U пред да се сфати дека јониумот и ториумот се хемиски идентични. За овој наводен елемент се користел симболот Io. (Името сè уште се користи при јониум-ториумското датирање.)
3.4 Ториум-231
<sup>231</sup>Th има 141 неутрон. Тој е распаден производ на ураниумот-235. Се наоѓа во многу мали количини на земјата и има време на полураспад од 25,5 часа. Кога се распаѓа, испушта бета-зраци и образува протактиниум-231. Има енергија на распаѓање од 0,39 MeV. Има маса од 231,0363043 u.
3.5 Ториум-232
<sup>232</sup>Th е единствениот првобитен нуклид на ториумот и ефективно го сочинува целиот природен ториум, а другите изотопи на ториумот се појавуваат само во трагови како релативно краткотрајни распадни производи на ураниумот и ториумот. Изотопот се распаѓа со алфа-распад со време на полураспад од 1,405 години, повеќе од три пати поголема од староста на Земјата и приближно староста на универзумот. Неговата распадна низа е ториумовата низа, кој на крајот завршува со олово-208. Остатокот од низата е брз. Најдолгото време на полураспад во него е 5,75 години за радиумот-228 и 1,91 години за ториумот-228, со сите други време на полураспади кои се вкупно помалку од 15 дена.<sup>232</sup> Th е плоден материјал способен да апсорбира неутрони и да претрпи трансмутација во фисилен нуклид ураниум-233, што е основа на циклусот на ториумовото гориво. Во облик на Торотраст, суспензија од ториум диоксид, се користел како контрастно средство во раната рендгенска дијагностика. Ториумот-232 сега е класифициран како канцероген.
3.6 Ториум-233
<sup>233</sup>Th е изотоп на ториумот што се распаѓа во протактиниум-233 преку бета-распад. Има време на полураспад од 21,83 минути. Траги се јавуваат во природата како резултат на природното неутронско активирање на <sup>232</sup>Th.
3.7 Ториум-234
<sup>234</sup>Th е изотоп на ториумот чии јадра содржат 144 неутрони. <sup>234</sup>Th има време на полураспад од 24,1 дена, а кога се распаѓа, испушта бета-честичка и притоа се претвора во протактиниум-234. <sup>234</sup>Th има маса од 234,0436 единици на атомска маса и има енергија на распаѓање од околу 270 keV. Ураниумот-238 обично се распаѓа во овој изотоп на ториумот (иако во ретки случаи може да претрпи спонтана фисија).