Изотопы тория - Isotopes of thorium

Основные изотопы тория   ( 90 Th)
Изотоп Разлагаться
избыток период полураспада ( т 1/2 ) Режим товар
227 Чт след 18,68 г α 223 Ra
228 Чт след 1,9116 года α 224 Ra
229 Чт след 7917 л α 225 Ра
230 Чт 0,02% 75400 г α 226 Ra
231 Чт след 25,5 часов β - 231 Па
232 Чт 99,98% 1,405 × 10 10  лет α 228 Ra
234 Чт след 24,1 дня β - 234 Па
Стандартный атомный вес A r, стандартный (Th) 232,0377 (4)

Торий ( 90 Th) содержит семь изотопов природного происхождения, но ни один из них не является стабильным. Один изотоп, 232 Th, относительно стабилен с периодом полураспада 1,405 × 10 10 лет, что значительно превышает возраст Земли и даже немного превышает общепринятый возраст Вселенной . Этот изотоп составляет почти весь природный торий, поэтому торий считался мононуклидным . Однако в 2013 году ИЮПАК реклассифицировал торий как бинуклидный из-за большого количества 230 Th в глубоководной воде. Торий имеет характерный земной изотопный состав, поэтому можно указать стандартный атомный вес.

Тридцать один радиоизотопы были охарактеризованы с наиболее стабильной будучи 232 Th, 230 Th с периодом полураспада 75,380 лет, 229 Th с периодом полураспада 7,917 лет, и 228 Th с периодом полураспада 1,92 лет. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее тридцати дней, а у большинства из них период полураспада менее десяти минут. Один изотоп, 229 Th, имеет ядерный изомер (или метастабильное состояние) с чрезвычайно низкой энергией возбуждения, которая, по недавним измерениям, составляет 8,28 ± 0,17 эВ. Было предложено провести лазерную спектроскопию ядра 229 Th и использовать низкоэнергетический переход для создания ядерных часов чрезвычайно высокой точности.

Известные изотопы тория имеют массовое число от 208 до 238.

Список изотопов

Нуклид
Историческое
название
Z N Изотопная масса ( Да )
Период полураспада

Режим распада

Дочерний
изотоп

Спин и
паритет
Естественное изобилие (мольная доля)
Энергия возбуждения Нормальная пропорция Диапазон вариации
208 Чт 90 118 208.01791 (4) 1,7 (+ 1,7-0,6) мс α 204 Ra 0+
209 Чт 90 119 209.01772 (11) 7 (5) мс
[3,8 (+ 69−15)]
α 205 Ra 5 / 2- #
210 Чт 90 120 210.015075 (27) 17 (11) мс
[9 (+ 17−4) мс]
α 206 Ra 0+
β + (редко) 210 АС
211 Чт 90 121 211.01493 (8) 48 (20) мс
[0,04 (+ 3–1) с]
α 207 Ra 5 / 2- #
β + (редко) 211 Ас
212 Чт 90 122 212.01298 (2) 36 (15) мс
[30 (+ 20-10) мс]
α (99,7%) 208 Ra 0+
β + (0,3%) 212 Ас
213 Чт 90 123 213.01301 (8) 140 (25) мс α 209 Ra 5 / 2- #
β + (редко) 213 Ас
214 Чт 90 124 214.011500 (18) 100 (25) мс α 210 Ra 0+
215 Чт 90 125 215.011730 (29) 1,2 (2) с α 211 Ra (1 / 2-)
216 Чт 90 126 216.011062 (14) 26,8 (3) мс α (99,99%) 212 Ra 0+
β + (0,006%) 216 Ac
216м1 Чт 2042 (13) кэВ 137 (4) мкс (8+)
216м2 Чт 2637 (20) кэВ 615 (55) нс (11-)
217 Чт 90 127 217.013114 (22) 240 (5) мкс α 213 Ra (9/2 +)
218 Чт 90 128 218.013284 (14) 109 (13) нс α 214 Ra 0+
219 Чт 90 129 219.01554 (5) 1,05 (3) мкс α 215 Ra 9/2 + #
β + ( 10-7 %) 219 Ас
220 Тыс 90 130 220.015748 (24) 9,7 (6) мкс α 216 Ra 0+
ЭК (2 × 10 -7 %) 220 В переменного тока
221 Чт 90 131 221.018184 (10) 1,73 (3) мс α 217 Ra (7/2 +)
222 Чт 90 132 222.018468 (13) 2,237 (13) мс α 218 Ra 0+
ЭК (1,3 × 10 -8 %) 222 Ас
223 Чт 90 133 223.020811 (10) 0,60 (2) с α 219 Ra (5/2) +
224 чт. 90 134 224.021467 (12) 1.05 (2) с α 220 Ра 0+
β + β + (редко) 224 Ra
CD (редко) 208 Pb
16 O
225 Чт 90 135 225.023951 (5) 8,72 (4) мин α (90%) 221 Ra (3/2) +
ЭК (10%) 225 АС
226 Чт 90 136 226.024903 (5) 30,57 (10) мин α 222 Ra 0+
227 Чт Радиоактиний 90 137 227.0277041 (27) 18,68 (9) д α 223 Ra 1/2 + След
228 Чт Радиоторий 90 138 228.0287411 (24) 1,9116 (16) г α 224 Ra 0+ След
КД (1,3 × 10 −11 %) 208 Pb
20 O
229 Чт 90 139 229.031762 (3) 7,34 (16) × 10 3  г α 225 Ра 5/2 + След
229м Чт 8,3 (2) эВ 7 (1) мкс ЭТО 229 Чт 3/2 +
230 Чт Ионий 90 140 230.0331338 (19) 7,538 (30) × 10 4  г α 226 Ra 0+ 0,0002 (2)
КД (5,6 × 10 −11 %) 206 рт. Ст.
24 Ne
SF (5 × 10 −11 %) (Различный)
231 Чт Уран Y 90 141 231.0363043 (19) 25,52 (1) ч β - 231 Па 5/2 + След
α ( 10-8 %) 227 Ra
232 Чт Торий 90 142 232.0380553 (21) 1,405 (6) × 10 10  лет α 228 Ra 0+ 0,9998 (2)
β - β - (редко) 232 U
SF (1,1 × 10 -9 %) (различный)
КД (2,78 × 10 -10 %) 182 Yb
26 Ne
24 Ne
233 Чт 90 143 233.0415818 (21) 21,83 (4) мин β - 233 Па 1/2 +
234 Чт Уран X 1 90 144 234.043601 (4) 24.10 (3) д β - 234 млн Па 0+ След
235 Чт 90 145 235,04751 (5) 7,2 (1) мин β - 235 Па (1/2 +) #
236 Чт 90 146 236.04987 (21) # 37,5 (2) мин β - 236 Па 0+
237 Чт 90 147 237.05389 (39) # 4,8 (5) мин β - 237 Па 5/2 + #
238 Чт 90 148 238.0565 (3) # 9,4 (20) мин β - 238 Па 0+
Этот заголовок и нижний колонтитул таблицы:
  1. ^ m Th - Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ () - Неопределенность (1 σ ) дана в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # - Атомная масса с пометкой #: значение и погрешность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из трендов по массовой поверхности (TMS).
  4. ^ Жирный период полураспада  - почти стабильный, период полураспада больше возраста Вселенной .
  5. ^ Режимы распада:
    КОМПАКТ ДИСК: Распад кластера
    EC: Электронный захват
    ЭТО: Изомерный переход
  6. ^ Дочерний символ жирным шрифтом - Дочерний продукт стабилен.
  7. ^ () значение спина - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
  8. ^ # - Значения, отмеченные знаком #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN).
  9. ^ Б Intermediate продукт распада из 235 U
  10. ^ Промежуточный продукт распада 232 Th
  11. ^ Промежуточный продукт распада 237 Np
  12. ^ Используется при датировании урана и тория.
  13. ^ а б Промежуточный продукт распада 238 U
  14. ^ Первичный радионуклид

Использует

Торий был предложен для использования в ядерной энергетике на основе тория .

Во многих странах использование тория в потребительских товарах запрещено или не рекомендуется, поскольку он радиоактивен.

В настоящее время он используется в катодах электронных ламп для сочетания физической стабильности при высокой температуре и низкой рабочей энергии, необходимой для удаления электрона с его поверхности.

Уже около столетия он используется в плащах для газовых и паровых ламп, таких как газовые фонари и кемпинговые фонари.

Линзы с низкой дисперсией

Торий также использовался в некоторых стеклянных элементах линз Aero-Ektar, изготовленных Kodak во время Второй мировой войны. Таким образом, они умеренно радиоактивны. Два стеклянных элемента в объективах F / 2.5 Aero-Ektar состоят из 11% и 13% тория по весу. Стекла, содержащие торий, были использованы потому, что они имеют высокий показатель преломления с низкой дисперсией (изменение показателя в зависимости от длины волны), что является очень желательным свойством. Многие сохранившиеся линзы Aero-Ektar имеют оттенок чайного цвета, возможно, из-за радиационного повреждения стекла.

Эти линзы использовались для воздушной разведки, потому что уровень радиации недостаточно высок, чтобы запотевать пленку за короткий период. Это будет означать, что уровень радиации достаточно безопасен. Однако, когда они не используются, было бы разумно хранить эти линзы как можно дальше от обычно населенных мест; позволяя обратному квадрату ослаблять излучение.

Актиниды против продуктов деления

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада
Актиниды по цепочке распада Период полураспада
( а )
Продукты деления из 235 U по доходности
4 п 4 п +1 4 п +2 4 п +3
4,5–7% 0,04–1,25% <0,001%
228 Ра 4–6 а 155 Euþ
244 смƒ 241 Puƒ 250 КФ 227 Ас 10–29 а 90 Sr 85 кр 113м кдþ
232 Uƒ 238 Puƒ 243 смƒ 29–97 а 137 Cs 151 смþ 121 м Sn
248 Bk 249 Cfƒ 242m Amƒ 141–351 а

Никакие продукты деления не
имеют период полураспада
в диапазоне
100–210 тыс. Лет.

241 Amƒ 251 Cfƒ 430–900 а
226 Ra 247 Bk 1,3–1,6 тыс. Лет назад
240 Pu 229 Чт 246 смƒ 243 Amƒ 4,7–7,4 тыс. Лет назад
245 смƒ 250 см 8,3–8,5 тыс. Лет
239 Puƒ 24,1 тыс. Лет назад
230 Чт 231 Па 32–76 тыс. Лет назад
236 Npƒ 233 Uƒ 234 У 150–250 тыс. Лет назад 99 Tc 126 Sn
248 см 242 Pu 327–375 тыс. Лет назад 79 Se
1,53 млн лет 93 Zr
237 Npƒ 2,1–6,5 млн лет 135 Cs 107 Pd
236 U 247 смƒ 15–24 млн лет 129 I
244 Pu 80 млн лет

... не более 15,7 млн ​​лет

232 Чт 238 У 235 Uƒ№ 0,7–14,1 млрд лет

Легенда для верхнего индекса символов
₡ имеет тепловой захват нейтронов поперечного сечение в диапазоне 8-50 барн
ƒ  делящегося
м  метастабильного изомер
№ прежде всего в природе радиоактивных материалов (NORM)
þ  нейтронных яда (захват тепловых нейтронов поперечного сечения больше , чем 3k барн)
† диапазон 4–97 a: Средноживущий продукт деления
‡ более 200 тыс. Лет назад : Долгоживущий продукт деления

Известные изотопы

Торий-228

228 Th представляет собой изотоп из тория 138 нейтронов . Когда-то он был назван Radiothorium из-за его присутствия в цепочке распада тория-232. Его период полураспада составляет 1,9116 лет. Он подвергается альфа-распаду до 224 Ra . Иногда он распадается по необычному пути распада кластера , испуская ядро 20 O и производя стабильный 208 Pb . Это дочь изотоп 232 U .

228 Th имеет атомный вес 228,0287411 г / моль.

Торий-229

229 Th является радиоактивный изотоп из тория , что распадается альфа - излучения с периодом полураспада от 7917 года. 229 Th образуется при распаде урана-233 , и его основное применение - производство медицинских изотопов актиния-225 и висмута-213 .

Торий-229м

В 1976 году гамма-спектроскопия впервые показала, что 229 Th имеет ядерный изомер , 229m Th, с чрезвычайно низкой энергией возбуждения. В то время предполагалось, что энергия будет ниже 100 эВ, исключительно на основании отсутствия наблюдения за прямым распадом изомера. Однако в 1990 году дальнейшие измерения привели к выводу, что энергия почти наверняка ниже 10 эВ, что делает изомер одним из изомеров с самой низкой известной энергией возбуждения. В последующие годы энергия была дополнительно ограничена до 3,5 ± 1,0 эВ, что долгое время было приемлемым значением энергии. Такая низкая энергия вскоре вызвала некоторый интерес, поскольку она концептуально допускает прямое лазерное возбуждение ядерного состояния, что приводит к некоторым интересным потенциальным приложениям, например, разработке ядерных часов очень высокой точности или в качестве кубита для квантовых вычислений .

Ядерное лазерное возбуждение 229m Th и, следовательно, разработка ядерных часов до сих пор сдерживались недостаточными знаниями об изомерных свойствах. В этом контексте особое значение имеет точное знание изомерной энергии, поскольку оно определяет необходимую лазерную технологию и сокращает время сканирования при поиске прямого возбуждения. Это вызвало множество исследований, как теоретических, так и экспериментальных, в которых пытались точно определить энергию перехода и указать другие свойства изомерного состояния 229 Th (такие как время жизни и магнитный момент).

Прямое наблюдение фотонов, испускаемых при изомерном распаде, значительно помогло бы точно определить значение изомерной энергии. К сожалению, до сегодняшнего дня не было полностью убедительного отчета об обнаружении фотонов, испускаемых при распаде 229m Th. Вместо этого в 2007 году были проведены улучшенные измерения гамма-спектроскопии с использованием усовершенствованного рентгеновского микрокалориметра высокого разрешения, в результате чего было получено новое значение энергии перехода E = 7,6 ± 0,5 эВ, скорректированное до E = 7,8 ± 0,5 эВ в 2009 году. Этот сдвиг изомерной энергии с 3,5 эВ до 7,8 эВ, возможно, объясняет, почему несколько первых попыток прямого наблюдения перехода не увенчались успехом. Тем не менее, большинство недавних поисков света, излучаемого при изомерном распаде, не выявили какого-либо сигнала, что указывает на потенциально сильный канал безызлучательного распада. Прямое обнаружение фотонов, испускаемых при изомерном распаде, было заявлено в 2012 году и снова в 2018 году. Однако оба отчета в настоящее время являются предметом дискуссий в сообществе.

Прямое обнаружение электронов, испускаемых во внутреннем канале распада преобразования 229m Th, было достигнуто в 2016 году. Однако в то время энергия перехода изомера могла быть лишь слабо ограничена в пределах от 6,3 до 18,3 эВ. Наконец, в 2019 году неоптическая электронная спектроскопия электронов внутренней конверсии, испускаемых при изомерном распаде, позволила определить энергию возбуждения изомера до8,28 ± 0,17 эВ , что представляет собой наиболее точное на сегодняшний день значение энергии. Однако это значение не согласуется с препринтом 2018 года, показывающим, что может быть показан сигнал, аналогичный ксеноновому ВУФ-фотону 8,4 эВ, но с примерно1.3+0,2
-0,1
 на эВ
меньше энергии и срок службы 1880 с. В этой статье 229 Th был внедрен в SiO 2, что , возможно, привело к сдвигу энергии и изменению времени жизни, хотя задействованные состояния в основном ядерные, что защищает их от электронных взаимодействий.

Особенностью чрезвычайно низкой энергии возбуждения является то, что время жизни 229m Th очень сильно зависит от электронного окружения ядра. В ионах 229 Th внутренний канал распада конверсии энергетически запрещен, так как изомерная энергия ниже энергии, необходимой для дальнейшей ионизации Th + . Это приводит к сроку службы, который может приближаться к радиационному времени жизни 229m Th, для которого не существует измерений, но который, как теоретически предсказывался, находится в диапазоне от 10 3 до 10 4 секунд. Экспериментально для ионов 229m Th 2+ и 229m Th 3+ было обнаружено изомерное время жизни более 1 минуты. В отличие от этого, в нейтральных атомах 229 Th разрешен внутренний канал распада конверсии, что приводит к изомерному времени жизни, которое сокращается на 9 порядков до примерно 10 микросекунд. Время жизни в диапазоне нескольких микросекунд действительно было подтверждено в 2017 году для нейтральных, поверхностно связанных атомов 229m Th на основе обнаружения сигнала затухания внутренней конверсии.

В эксперименте 2018 года удалось провести первую лазерно-спектроскопическую характеристику ядерных свойств 229m Th. В этом эксперименте, лазерная спектроскопия из 229 оболочки атома Th проводили с использованием 229 Th 2+ ионного облака с 2% ионами в ядерном возбужденном состоянии. Это позволило исследовать сверхтонкий сдвиг, вызванный различными состояниями ядерного спина основного и изомерного состояний. Таким образом, можно было вывести первое экспериментальное значение магнитного диполя и электрического квадрупольного момента 229m Th.

В 2019 году энергия возбуждения изомера была ограничена 8,28 ± 0,17 эВ на основе прямого детектирования внутренних конверсионных электронов и безопасное заселение 229m Th из основного состояния ядра было достигнуто путем возбуждения возбужденного состояния ядра 29 кэВ с помощью синхротронного излучения. Дополнительные измерения, проведенные другой группой в 2020 году, дали цифру8,10 ± 0,17 эВ (153,1 ± 3,2 нм ). Комбинируя эти измерения, мы получаем ожидаемую энергию перехода8,12 ± 0,11 эВ .

Возбужденное состояние 29189,93 эВ 229 Th распадается в изомерное состояние с вероятностью 90%. Оба измерения являются дальнейшими важными шагами на пути к развитию ядерных часов . Также эксперименты по гамма-спектроскопии подтвердили расщепление энергии 8,3 эВ от расстояния до уровня 29189,93 эВ. 8,28 эВ (150 нм) достижима как 7-я гармоника иттербиевого волоконного лазера с помощью гребенки частот VUV. Может быть доступен непрерывный фазовый синхронизм для генерации гармоник.

Торий-230

230 Th является радиоактивным изотопом из тория , которые могут быть использованы на сегодняшний день кораллов и определить океан текущего поток. Ионием было названиеданное в начале исследования радиоактивных элементов к 230 Th изотопаполученного в цепочке распада из 238 U до тогостало ясночто ионий и торий химически идентичны. Дляэтого предполагаемого элемента использовалсясимвол Ио . (Это название до сих пор используется в ионий-ториевом датировании .)

Торий-231

231 Th имеет 141 нейтрон . Это продукт распада урана-235 . Он встречается на Земле в очень небольших количествахи имеет период полураспада 25,5 часов. Когда он распадается, он испускает бета-луч и образует протактиний-231 . Он имеет энергию распада 0,39 МэВ. Он имеет массу 231,0363043 г / моль.

Торий-232

232 Th является единственным изначальное нуклидов из торий и составляет фактически все природного тория, с другими изотопами тория появляться лишь в следовых количествах как относительно короткоживущих продуктов распада из урана и тория. Изотоп распадается в результате альфа-распада с периодом полураспада 1,405 × 10 10 лет, что в три раза больше возраста Земли и примерно возраста Вселенной . Его цепь распада представляет собой серию тория , которая в конечном итоге заканчивается свинцом-208 . Остальная часть цепочки - быстро; самые длинные периоды полураспада в нем составляют 5,75 года для радия-228 и 1,91 года для тория-228 , а все остальные периоды полураспада составляют менее 15 дней.

232 Th является плодородным материал способен поглощать в нейтрон и претерпевает превращение в делящемся нуклид уран-233 , который является основой ториевого топливного цикла . В виде торотраста , суспензии диоксида тория , он использовался в качестве контрастного вещества при ранней рентгенодиагностике . Торий-232 теперь классифицируется как канцерогенный .

Торий-233

233 Th - изотоп тория, который распадается на протактиний-233 посредством бета-распада. Его период полураспада составляет 21,83 минуты.

Торий-234

234 Th является изотоп из тория , чьи ядра содержит 144 нейтронов . 234 Th имеет период полураспада 24,1 дня, и когда он распадается, он испускает бета-частицу и при этом превращается в протактиний- 234. 234 Th имеет массу 234,0436 атомных единиц массы (а.е.м.) и энергию распада около 270 кэВ ( килоэлектронвольт ). Уран- 238 обычно распадается на этот изотоп тория (хотя в редких случаяхвместо этогоон может подвергаться спонтанному делению ).

использованная литература