A tórium izotópjai

Wikimédia-listaszócikk

Noha a tóriumnak (90Th) 6 természetes izotópja is van, ezek egyike sem stabil, bár egyikük – a 232Th – viszonylag stabil, felezési ideje 1,405·1010 év, ami jóval hosszabb, mint a Föld életkora, és valamivel meghaladja a Világegyetem elfogadott korát is. A természetes tórium szinte kizárólag ebből az izotópból áll, így tiszta elemnek tekinthető. 2013-ban azonban a IUPAC átsorolta a két izotópos anyagok közé, mivel a mélytengerben jelentős részarányban 230Th található. Földi izotópösszetétele jól meghatározott, így standard atomtömege is megadható.

Harmincegy radioizotópját írták le, közülük a legstabilabbak (a 232Th után) a 230Th (felezési ideje 75 380 év), a 229Th (7340 év) és a 228Th (1,92 év). A többi izotóp felezési ideje 30 napnál rövidebb, a többségé a 10 percet sem éri el. Egyik izotópjának (a 229Th-nek) van egy olyan magizomerje (metastabil állapota), melynek feltűnően kicsi a gerjesztési energiája,[1] a legutóbbi mérések szerint 7,6 ± 0,5 eV.[2]

Az ismert tóriumizotópok tömegszáma 208[3] és 238 közé esik.

Fontosabb izotópok

szerkesztés

Tórium-228

szerkesztés

A 228Th a tórium 138 neutront tartalmazó izotópja, az 232U leánymagja. Régi neve radiotórium, mivel megtalálható a tórium-232 bomlási sorában. Felezési ideje 1,9116 év, alfa-bomlással 224Ra-gyé alakul, de nagyon kis valószínűséggel klaszterbomlás megy végbe, ekkor 20O mag kibocsátásával stabil 208Pb-cá alakul.

A Th-228 atomtömege 228,0287411 gramm/mol, az urán-232 alfa-bomlással erre a magra bomlik.

Tórium-229

szerkesztés

A 229Th alfa-bomló izotóp, felezési ideje 7340 év. Az urán-233 bomlásterméke, fő felhasználása a nukleáris medicinában használt aktínium-225 és bizmut-213 izotópok előállítása.[4]

Tórium-229m

szerkesztés

Gamma-spektroszkópiai eredmények alapján a 229Th-nek van egy rendkívül kis gerjesztési energiájú magizomerje, a 229mTh. Ez lenne a legkisebb energiájú ismert magizomer, a gerjesztéshez akár az UV-C tartományban működő lézer is elegendő lehetne. Ezt az izomert fel lehetne használni nagy sűrűségű energiatárolásra,[5] pontos órákban,[6][7][8] qubitként kvantumszámítógépekben vagy annak vizsgálatára, hogy a kémiai környezet hogyan befolyásolja az atommagok bomlási sebességét.[9]

Az 229Th energiaszintjei közötti különbséget egyelőre közvetett módon, az 233U bomlásából származó gamma-spektrum alapján határozták meg. Az első méréseket 1989–1993 között végezték jó minőségű germánium detektorokkal, ennek eredményeként a 229Th izomer átmenet energiájára E = 3,5±1,0 eV értéket mértek.[10][11] Ez a szokatlanul kis érték mind elméleti, mind kísérleti vizsgálatok sokaságát indította el, melyekben megpróbálták pontosan meghatározni az átmeneti energiát, valamint megadni az 229Th izomer állapotának további jellemzőit (például felezési idejét és mágneses momentumát). A kis energiájú gerjesztett állapotból azonban nem sikerült egyértelműen a közvetlen fotonemisszió jelét megtalálni. 2007-ben új, közvetett méréseket végeztek fejlett nagy felbontású röntgen mikrokalorimetriás módszerrel,[2] melynek alapján az átmenet energiájára E = 7,6±0,5 eV értéket kaptak, melyet 2009-ben E = 7,8±0,5 eV-ra pontosítottak.[12] A tudományos életben jelenleg ez a leginkább elfogadott érték, ez azonban nem tekinthető véglegesnek, amíg nem sikerül közvetlen méréssel is igazolni. A jel vákuum UV-tartományba történő eltolódása valószínűleg megmagyarázza, hogy a korábbi közvetlen megfigyelési kísérletek miért voltak sikertelenek.

Az izomer élettartamát 6±1 órának mérték a visszalökődő 229mTh atomok MgF2 kristályban történő összegyűjtésével és a fénykibocsátás időbeli változásának mérésével. Ez az eredmény közel van a korábban – 7,6 eV vagy 7,8 eV-os gerjesztési energiából – jósolt 5 órás élettartamhoz,[2][12][13] ami részint alá is támasztja ezen energiák helyességét. Ugyanakkor egy másik becslés szerint ezen energiák esetén az élettartam 0,46·106 s/7,83 = 0,27 óra és 1,79·106 s/7,83 = 1,0 óra közé esik.[14] Az élettartam mérésének helyességét ráadásul megkérdőjelezték.[15] Semleges (1+ ,2+) atom esetében, ha az átmenet energiája meghaladja a 6,3 eV (11,5 eV, 18,3 eV) nagyságú ionizációs energiát, akkor – a belső konvezió miatt – ezredmásodpercnél is rövidebb élettartam várható.[16] Ennek az izomernek a bomlásakor olyan (nem a hullámhossza, hanem a keletkezési módja alapján definiálva) gamma-sugárzás keletkezne, melynek energiája az ultraibolya tartományba esik.

2016-ban ezt az átmenetet közvetlenül észlelték by neutralization on an MCP plate.[16][17] A 229Th2+ magjában az átmenethez tartozó energiakülönbséget a tórium első és harmadik ionizációs energiájának felhasználásával csak 6,3 és 18,3 eV (200–70 nm) közé tudták behatárolni, mert a kísérletet az észlelésre hegyezték ki, nem a pontos energiamérésre.[18] Elképzelhetőnek tűnik, hogy az MCP lapon semlegesített tórium ionizációs energiája a szabad atoméhoz képest eltolódik, tekintettel arra, hogy az ilyen nehéz atomok kötési energiája számottevő, és a kilépési munka a kísérletben használt tórium (3,4 eV) és a CsI MCP felület (3,4 eV) esetében is jelentősen eltér az ionizácós energiától (6,3 eV), ami az átmenet legkisebb energiájára csak 3,4–6,25 eV értéket eredményez.[19][1] Archiválva 2017. augusztus 9-i dátummal a Wayback Machine-ben[2][20][3]

Egy 2018-as tanulmány szerint az átmenet energiája 7,1+0,1−0,2 eV (175+5−3 nm), a kibocsátott gamma-sugarak fotoelektromos hatása alapján.[21] Utólag feltételezhető, hogy az átmenetet akár közvetlenül is detektálhatták egy 2015-ös kísérletben, amelyben 7 eV körül lehetséges csúcsot kaptak.[22] Nem tisztázott, hogy az átmenetet miért nem sikerült gerjeszteni egy 2015-ös kísérletben.[23] A nuclock konzorcium szerint a mérés minden újabb kísérlettel összhangban van.[24]

Tórium-230

szerkesztés

A 230Th a tórium radioaktív izotópja, mely felhasználható korallok korának, valamint a tengeráramlatok fluxusának meghatározására. A radioaktív elemek tanulmányozásának korai időszakában, mielőtt még felismerték volna azonosságát a tóriummal, ionium néven ismerték az 238U bomlási sorában keletkező 230Th izotópot. A feltételezett elemet az Io vegyjellel jelölték. (The name is still used in ionium–thorium dating.)

Tórium-231

szerkesztés

A 231Th az urán-235 bomlásterméke, magja 141 neutront tartalmaz. Nagyon kis mennyiségben megtalálható a földön, felezési ideje 25,5 óra. Béta-sugárzás kibocsátása közben bomlik, protaktínium-231 keletkezése közben. Bomlási energiája 0,39 MeV. Atomtömege 231,0363043 gramm/mol.

Tórium-232

szerkesztés

A 232Th a tórium egyetlen primordiális nuklidja, lényegében az összes természetes tórium ebből áll, más izotópok csak nyomnyi mennyiségben jelennek meg az urán és tórium viszonylag rövid életű bomlástermékeként.[25]

A 232Th alfa-bomló, felezési ideje 1,405·1010 év, amely a Föld életkorának több, mint háromszorosa, és a világegyetem korát is meghaladja.

Bomlási sora a tóriumsor, melynek utolsó tagja az ólom-208. A sor többi tagja gyorsan elbomlik, a leghosszabb felezési idejű izotópok a rádium-228 (5,75 év) és a tórium-228 (1,91 év), a többi izotóp felezési ideje együtt sem éri el az 5 napot.[26]

A 232Th nukleáris tenyészanyag, neutronbefogással maghasadásra képes urán-233-má alakul át, ami a tórium fűtőanyagciklus alapja.[27]

A tórium-dioxid szuszpenziót a korai röntgendiagnosztikában kontrasztanyagként használták (Thorotrast), de ma már a tórium-232-t a karcinogének közé sorolják.[28]

Tórium-233

szerkesztés

A 233Th béta-bomlással protaktínium-233-ra bomlik, felezési ideje 21,83 perc.[29]

Tórium-234

szerkesztés

A 234Th magja 144 neutront tartalmaz. 24,1 nap felezési idővel, béta-részecske kibocsátása közben protaktínium-234-gyé alakul. Atomtömege 234,0436 atomi tömegegység, bomlási energiája mintegy 270 keV (kiloelektronvolt). Az urán-238 főként erre az izotópra bomlik (de nagyon ritkán spontán maghasadást is szenvedhet).

Izotópok listája

szerkesztés
nuklid
jele
történelmi
név
Z(p) N(n)  
izotóptömeg (u)
 
felezési idő[m 1] bomlási
mód(ok)[30][m 2]
leány-
izotóp(ok)[m 3]
magspin
és paritás
jellemző
izotóp-
összetétel
(móltört)
természetes
ingadozás
(móltört)
gerjesztési energia
208Th[3] 90 118 1,7(+1,7−0,6) ms α 204Ra 0+
209Th[31] 90 119 209,01772(11) 7(5) ms
[3,8(+69−15)]
α 205Ra 5/2−#
210Th 90 120 210,015075(27) 17(11) ms
[9(+17−4) ms]
α 206Ra 0+
β+ (ritka) 210Ac
211Th 90 121 211,01493(8) 48(20) ms
[0,04(+3−1) s]
α 207Ra 5/2−#
β+ (ritka) 211Ac
212Th 90 122 212,01298(2) 36(15) ms
[30(+20−10) ms]
α (99,7%) 208Ra 0+
β+ (0,3%) 212Ac
213Th 90 123 213,01301(8) 140(25) ms α 209Ra 5/2−#
β+ (ritka) 213Ac
214Th 90 124 214,011500(18) 100(25) ms α 210Ra 0+
215Th 90 125 215,011730(29) 1,2(2) s α 211Ra (1/2−)
216Th 90 126 216,011062(14) 26,8(3) ms α (99,99%) 212Ra 0+
β+ (0,006%) 216Ac
216m1Th 2042(13) keV 137(4) µs (8+)
216m2Th 2637(20) keV 615(55) ns (11−)
217Th 90 127 217,013114(22) 240(5) µs α 213Ra (9/2+)
218Th 90 128 218,013284(14) 109(13) ns α 214Ra 0+
219Th 90 129 219,01554(5) 1,05(3) µs α 215Ra 9/2+#
β+ (10−7%) 219Ac
220Th 90 130 220,015748(24) 9,7(6) µs α 216Ra 0+
EC (2·10−7%) 220Ac
221Th 90 131 221,018184(10) 1,73(3) ms α 217Ra (7/2+)
222Th 90 132 222,018468(13) 2,237(13) ms α 218Ra 0+
EC (1,3·10−8%) 222Ac
223Th 90 133 223,020811(10) 0,60(2) s α 219Ra (5/2)+
224Th 90 134 224,021467(12) 1,05(2) s α 220Ra 0+
β+β+ (ritka) 224Ra
225Th 90 135 225,023951(5) 8,72(4) perc α (90%) 221Ra (3/2)+
EC (10%) 225Ac
226Th 90 136 226,024903(5) 30,57(10) perc α 222Ra 0+
227Th radioaktínium 90 137 227,0277041(27) 18,68(9) nap α 223Ra 1/2+ nyomokban[m 4]
228Th radiotórium 90 138 228,0287411(24) 1,9116(16) év α 224Ra 0+ nyomokban[m 5]
CD (1,3·10−11%) 208Pb
20O
229Th 90 139 229,031762(3) 7,34(16)·103 év α 225Ra 5/2+
229mTh 7,6(5) eV 70(50) óra IT 229Th 3/2+
230Th[m 6] ionium 90 140 230,0331338(19) 7,538(30)·104 év α 226Ra 0+ 0,0002(2)[m 7]
CD (5,6·10−11%) 206Hg
24Ne
SF (5·10−11%) (többféle)
231Th urán Y 90 141 231,0363043(19) 25,52(1) óra β 231Pa 5/2+ nyomokban[m 4]
α (10−8%) 227Ra
232Th[m 8] tórium 90 142 232,0380553(21) 1,405(6)·1010 év α 228Ra 0+ 0,9998(2)
ββ (ritka) 232U
SF (1,1·10−9%) (többféle)
CD (2,78·10−10%) 182Yb
26Ne
24Ne
233Th 90 143 233,0415818(21) 21,83(4) perc β 233Pa 1/2+
234Th urán X1 90 144 234,043601(4) 24,10(3) nap β 234mPa 0+ nyomokban[m 7]
235Th 90 145 235,04751(5) 7,2(1) perc β 235Pa (1/2+)#
236Th 90 146 236,04987(21)# 37,5(2) perc β 236Pa 0+
237Th 90 147 237,05389(39)# 4,8(5) perc β 237Pa 5/2+#
238Th 90 148 238,0565(3)# 9,4(20) perc β 238Pa 0+
  1. A világegyetem koránál hosszabb felezési idejű (csaknem stabil) izotópok félkövérrel vannak kiemelve
  2. Rövidítések:
    CD: Klaszterbomlás
    EC: Elektronbefogás
    IT: Izomer átmenet
    SF: Spontán maghasadás
  3. A stabil izotópok félkövérrel vannak kiemelve
  4. a b Az urán-235 bomlási sor tagja
  5. A tórium-232 bomlási sor tagja
  6. Az urán–tróium kormeghatározásban használják
  7. a b Az urán-238 bomlási sor tagja
  8. Primordiális radionuklid

Megjegyzések

szerkesztés
  • Ismeretesek olyan geológiai minták, amelyek izotóp-összetétele a szokásos értékeken kívül van. Az atomtömeg bizonytalansága ezeknél meghaladhatja a jelzett hibahatárt.
  • A # jel a nem kizárólag kísérletekből, hanem részben szisztematikus trendekből származó értéket jelöl. A nem kellő megalapozottsággal asszignált spinek zárójelben szerepelnek.
  • A bizonytalanságokat rövid formában – a megfelelő utolsó számjegy után zárójelben – adjuk meg. A bizonytalanság értéke egy standard deviációnak felel meg, kivéve, ahol az izotóp-összetételt és standard atomtömeget a IUPAC nagyobb bizonytalansággal adja csak meg.

Hivatkozások

szerkesztés
  1. E. Ruchowska (2006). „Nuclear structure of 229Th”. Phys. Rev. C 73 (4), 044326. o. DOI:10.1103/PhysRevC.73.044326.  
  2. a b c B. R. Beck et al. (2007. április 6.). „Energy splitting in the ground state doublet in the nucleus 229Th”. Physical Review Letters 98 (14), 142501. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.98.142501. PMID 17501268.  
  3. a b Cardona, J.A.H.: Production and decay properties of neutron deficient isotopes with N < 126 and 74 ≤ Z ≤ 92 at SHIP. Goethe Universität Frankfury Allemagne, 2012
  4. Report to Congress on the extraction of medical isotopes from U-233 Archiválva 2011. szeptember 27-i dátummal a Wayback Machine-ben.. U.S. Department of Energy. March 2001
  5. (1992) „Nuclear isomers as ultra-high-energy-density materials”. Air Force Meeting on High Energy Density Materials, Lancaster, CA. 
  6. (2003. január 15.) „Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229Th”. Europhysics Letters 61 (2), 181–186. o. [2013. december 16-i dátummal az eredetiből archiválva]. DOI:10.1209/epl/i2003-00210-x. (Hozzáférés: 2013. december 14.)  
  7. Schumm, Thorsten (Hiba: Érvénytelen idő.). „Towards a Thorium "nuclear atomic clock"?”. 4th ESA international Workshop on Optical Atomic Frequency Standards & Clocks. [2016. augusztus 10-i dátummal az eredetiből archiválva]. Hozzáférés: 2016. augusztus 7. 
  8. (2018. március 1.) „Towards a 229Th-based nuclear clock”. Measurement Techniques 60 (12), 1178–1192. o. DOI:10.1007/s11018-018-1337-1.  
  9. (2000) „Decay of the low-energy nuclear isomer 229Thm (3/2+, 3.5±1.0 eV) in solids (dielectrics and metals): A new scheme of experimental research”. Physical Review C 61 (6), 064308. o. DOI:10.1103/PhysRevC.61.064308.  
  10. (1990. január 1.) „Energy separation of the doublet of intrinsic states at the ground state of 229Th”. Phys. Rev. Lett. 64 (3), 271–273. o, Kiadó: American Physical Society. DOI:10.1103/PhysRevLett.64.271. PMID 10041937.  
  11. (1994. április 1.) „An Excited State of 229Th at 3.5 eV”. Physical Review C 49 (4), 1845–1858. o. DOI:10.1103/PhysRevC.49.1845.  
  12. a b (2009. július 30.) „Improved value for the energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th”. 12th Int. Conf. on Nuclear Reaction Mechanisms. [2017. január 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. LLNL-PROC-415170. Hozzáférés: 2015. február 17. 
  13. Zhao, Xinxin (2012). „Observation of the Deexcitation of the ^{229m}Th Nuclear Isomer”. Physical Review Letters 109 (16). DOI:10.1103/PhysRevLett.109.160801. ISSN 0031-9007.  
  14. Jeet, Justin (2015. május 25.). „Results of a Direct Search Using Synchrotron Radiation for the Low-Energy”. Physical Review Letters 114 (25). DOI:10.1103/physrevlett.114.253001.  
  15. Peik, Ekkehard (2013. július 3.). „Comment on "Observation of the Deexcitation of the 229mTh Nuclear Isomer"”. Physical Review Letters 111 (1), 018901. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.111.018901. PMID 23863029.  
  16. a b (2016. május 5.) „Direct detection of the 229Th nuclear clock transition”. Nature 533 (7601), 47–51. o. DOI:10.1038/nature17669.  
  17. Ludwig Maximilian University of Munich (2016-05-06). "Results on 229mThorium published in "Nature"". Sajtóközlemény. Elérés: 2016-08-07. Archiválva 2016. augusztus 27-i dátummal a Wayback Machine-ben Archivált másolat. [2016. augusztus 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2016. augusztus 7.)Archivált másolat. [2016. augusztus 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2016. augusztus 7.)
  18. (2015. november 24.) „A VUV detection system for the direct photonic identification of the first excited isomeric state of 229Th”. The European Physical Journal D 70 (3). DOI:10.1140/epjd/e2016-60653-4.  
  19. Rivière, J. C. (1962. május 25.). „The Work Function of Thorium” (angol nyelven). Proceedings of the Physical Society 80 (1), 124. o. DOI:10.1088/0370-1328/80/1/314. ISSN 0370-1328.  
  20. Fairchild, S. B. (2011. április 13.). „Low work function CsI coatings for enhanced field emission properties”. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 29 (3), 031402. o. DOI:10.1116/1.3581058. ISSN 0734-2101.  
  21. Borisyuk, P. V.: Excitation of 229Th nuclei in laser plasma: the energy and half-life of the low-lying isomeric state, 2018. április 1.
  22. Friedrich, Stephan: The World's Lowest Nuclear State in Thorium-299m (angol nyelven). ldrd-annual.llnl.gov . (Hozzáférés: 2018. július 15.)[halott link]
  23. Yamaguchi, A. (2015. május 25.). „Experimental search for the low-energy nuclear transition in 229 Th with undulator radiation” (angol nyelven). New Journal of Physics 17 (5), 053053. o. DOI:10.1088/1367-2630/17/5/053053. ISSN 1367-2630.  
  24. New experimental values for the Th-229m isomer energy and lifetime”, nuClock.eu. [2020. szeptember 23-i dátummal az eredetiből archiválva] (Hozzáférés: 2018. december 31.) (amerikai angol nyelvű) 
  25. Isotopes Project Home Page, Lawrence Berkeley National Laboratory: Isotopes of Thorium (Z=90). [2010. február 3-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2010. január 18.)
  26. Rutherford Appleton Laboratory: Th-232 Decay Chain. [2012. április 19-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2010. január 25.)
  27. World Nuclear Association: Thorium. [2013. február 16-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2010. január 25.)
  28. (2004) „Redistribution of thorotrast into a liver allograft several years following transplantation: a case report”. Mod Pathol. 17 (1), 117–120. o. DOI:10.1038/modpathol.3800008. PMID 14631374.  
  29. Georges, Audi (2003). „The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties”. Nuclear Physics A 729, 3–128. o, Kiadó: Atomic Mass Data Center. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.  
  30. Universal Nuclide Chart. nucleonica
  31. H. Ikezoe (1996). „alpha decay of a new isotope of 209Th”. Physical Review C 54 (4), 2043. o. DOI:10.1103/PhysRevC.54.2043.  

Fordítás

szerkesztés

Ez a szócikk részben vagy egészben az Isotopes of thorium című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Az aktínium izotópjai A tórium izotópjai A protaktínium izotópjai
Izotópok listája