바륨(Ba)은 원자 번호 56의 화학 원소로, 천연적으로 산출되는 바륨은 여섯 종류의 안정 동위 원소와 반감기가 매우 긴 한 종류의 방사성 원시 동위 원소(¹³⁰Ba)로 구성되어 있다. 천연 바륨의 동위 원소 구성은 표준 원자 질량 137.327(7) u로 나타낸다.
천연 산출 바륨의 동위 원소 7종은 질량수 130, 132, 134, 135, 136, 137, 138이며, 이 가운데 ¹³⁰Ba은 이중 전자 포획(double electron capture)에 의해 붕괴하는 것으로 추정되는 방사성 핵종이다. ¹³⁰Ba은 2001년 암석 내 붕괴 생성물인 크세논-130(¹³⁰Xe)의 존재에 대한 지구화학적 분석을 통해 불안정 동위 원소로 확인되었으며, 그 반감기는 약 (0.5–2.7)×10²¹ 년으로 우주 나이의 약 10¹¹ 배에 달하는 매우 긴 값이다. 이 때문에 자연계에서는 사실상 안정한 동위 원소로 취급되기도 한다.
천연 바륨 중 가장 풍부한 동위 원소는 ¹³⁸Ba이며, 몰 분율 약 0.717로 전체의 약 71.7%를 차지한다. 그 외의 안정 동위 원소들은 질량수가 감소함에 따라 일반적으로 존재 비율이 낮아지는 경향을 보인다. 각 천연 동위 원소의 대략적 몰 분율은 다음과 같다.
- ¹³⁰Ba: 약 0.00106
- ¹³²Ba: 약 0.00101
- ¹³⁴Ba: 약 0.02417
- ¹³⁵Ba: 약 0.06592
- ¹³⁶Ba: 약 0.07854
- ¹³⁷Ba: 약 0.11232
- ¹³⁸Ba: 약 0.71698
한편, ¹³²Ba은 관찰상 안정한 핵종으로 분류되지만, 이론상 이중 베타 붕괴를 통해 ¹³²Xe으로 붕괴할 수 있으며 그 반감기는 약 3×10²⁰ 년 이상일 것으로 추정된다. ¹³⁸Ba 역시 이론상 자발 핵분열이 가능한 것으로 알려져 있다.
¹³⁰Ba 외에도 ³³종류 이상의 바륨 방사성 동위 원소(질량수 114~153)가 발견되었으며, 이들은 대부분 반감기가 수 밀리초에서 수 분에 불과한 단수명 핵종이다. 다만 상대적으로 반감기가 긴 예외적인 방사성 동위 원소로는 다음이 있다.
- ¹³¹Ba: 반감기 약 11.5일, 베타 플러스(β⁺) 붕괴
- ¹³³Ba: 반감기 약 10.51년, 전자 포획 붕괴. 감마선 방출 에너지와 적절한 반감기로 인해 방사선 검출기 교정과 핵의학 분야 등에서 활용된다.
- ¹³⁷ᵐBa: 반감기 약 2.55분, 이성질핵 전이(IT) 붕괴. ¹³⁷Cs의 붕괴 사슬에서 생성되는 대표적인 핵분열 생성물이다.
- ¹⁴⁰Ba: 반감기 약 12.75일, 베타 마이너스(β⁻) 붕괴. 핵분열 생성물로 알려져 있다.
가장 가벼운 바륨 동위 원소인 ¹¹⁴Ba는 뭉치 붕괴(cluster decay)를 통해 ¹²C를 방출하고 ¹⁰²Sn으로 붕괴할 것으로 예측되고 있으나, 아직 관측된 바는 없다. 이 붕괴 확률의 상한은 0.0034%로 보고되었다.
바륨 동위 원소의 기원은 우주 핵합성 과정과 밀접한 관련이 있다. ¹³⁰Ba과 ¹³²Ba은 주로 p-과정(p-process)에 의해 생성되며, ¹³⁴Ba과 ¹³⁶Ba은 s-과정(s-process)의 산물이다. ¹³⁵Ba, ¹³⁷Ba, ¹³⁸Ba은 s-과정과 r-과정(r-process) 양쪽에서 모두 생성될 수 있다. 또한 ¹³⁵Ba은 ¹³⁵Cs의 방사성 붕괴(반감기 약 2.3×10⁶ 년)로, ¹³⁸Ba은 ¹³⁸La의 방사성 붕괴(반감기 약 1.05×10¹¹ 년)로부터 일부 기원할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이처럼 바륨 동위 원소의 존재 비율과 생성 과정은 별의 진화와 초기 우주의 핵합성 조건을 연구하는 우주화학 및 지구화학 분야에서 중요한 지표로 활용된다. 특히 천연 시료에서의 바륨 동위 원소 비율 분석은 지각 변동, 해양 순환, 대기-해양 간 물질 교환 등 다양한 지구화학적 과정을 추적하는 데 유용한 도구로 쓰인다.
