토륨 동위 원소

토륨(Thorium, Th)은 원자 번호 90번의 화학 원소로, 여러 개의 동위 원소를 가지고 있다. 동위 원소는 같은 양성자 수를 가지지만 중성자 수가 다른 원자핵을 의미한다. 토륨은 자연에 존재하는 방사성 원소이며, 알려진 토륨 동위 원소들은 모두 불안정하여 방사성 붕괴를 한다. 자연에는 주로 토륨-232(²³²Th)가 존재하며, 이는 매우 긴 반감기를 가지고 있다. 토륨은 총 30개 이상의 동위 원소가 알려져 있으며, 질량수는 약 209부터 238까지 분포한다.

자연 존재 동위 원소

자연에 존재하는 토륨 동위 원소 중 가장 흔하고 중요한 것은 ²³²Th이다. 이 동위 원소는 우주의 나이와 유사한 약 140억 년의 긴 반감기를 가지며, 토륨 계열 방사성 붕괴 사슬의 시작 원소이다. 자연에 미량으로 존재하는 다른 토륨 동위 원소(예: ²³⁰Th, ²²⁸Th 등)들은 주로 우라늄 계열 또는 토륨 계열 자체의 붕괴 사슬 중간 생성물로 발견된다. 이들은 ²³²Th에 비해 훨씬 짧은 반감기를 가지므로, 모핵종(어미 핵종)의 존재 없이는 자연계에서 오래 지속될 수 없다.

인공 생성 동위 원소

²³²Th를 제외한 대부분의 토륨 동위 원소들은 입자 가속기 실험이나 핵반응 등을 통해 인공적으로 생성된다. 이러한 인공 동위 원소들은 자연에 존재하는 ²³²Th보다 훨씬 짧은 반감기를 가지며, 핵물리학 연구 등에 활용된다. 알려진 인공 동위 원소들은 매우 짧은 시간(밀리초)부터 수십 년에 이르는 다양한 반감기와 여러 가지 붕괴 방식(알파 붕괴, 베타 붕괴, 전자 포획 등)을 보인다. 가장 가벼운 토륨 동위 원소는 ²⁰⁹Th, 가장 무거운 동위 원소는 ²³⁸Th까지 확인되었다.

방사성 붕괴 사슬

²³²Th는 방사성 붕괴를 통해 여러 중간 핵종을 거쳐 최종적으로 안정한 납 동위 원소인 납-208(²⁰⁸Pb)로 변환되는 토륨 계열 붕괴 사슬의 어미 핵종이다. 이 붕괴 과정에서는 주로 알파(α) 입자와 베타(β) 입자가 방출되며, 라듐, 라돈, 폴로늄 등 다른 방사성 원소의 동위 원소들을 생성한다. 자연계에 존재하는 다른 토륨 동위 원소들도 각자의 붕괴 경로를 따르며, 대부분 우라늄 또는 토륨 붕괴 사슬의 일부로 존재한다.

응용 및 중요성

토륨 동위 원소, 특히 ²³²Th는 잠재적인 핵연료 물질(핵분열성 우라늄-233으로 변환될 수 있음)로서 연구되고 있다. 이는 핵폐기물 감소 및 자원 활용 측면에서 관심을 받고 있다. 또한, ²³⁰Th는 우라늄-토륨 연대 측정법과 같은 방사성 연대 측정에 사용되어 지질학적 시간 규모를 파악하거나 해양 퇴적물의 연대를 측정하는 데 기여한다. 토륨 동위 원소의 방사능은 지열 발생에도 일부 기여한다.