トリウムの同位体

トリウム（₉₀ Th）には7つの天然同位体がありますが、どれも安定していません。1つの同位体である²³² Thは比較的安定しており、半減期は1.405×10 ¹⁰年で、地球の年齢よりもかなり長く、一般に認められている宇宙の年齢よりもわずかに長いです。この同位体はほぼすべての天然トリウムを構成しているため、トリウムは一核種であると考えられていました。しかし、2013年にIUPACは、深海水中に多量の²³⁰ Thが含まれていることから、トリウムを二核種に再分類しました。トリウムは特徴的な地球上の同位体組成を持っているため、標準的な原子量を与えることができます。

31種の放射性同位体が特徴付けられており、最も安定しているのは^232Th、半減期75,380年の230Th、半減期7,917年の229Th、^{[ 2 ]}、半減期1.92年の228Thである。残りの放射性同位体はすべて^半減期が30日未満で、その大部分は半減期が10分未満である。1種の同位体である^{229Thは、励起エネルギーが著しく低い}核異性体（または準安定状態）を持ち、 ^[5]最近測定されたところ、8.355 733 554 021 (8) eV ^{[6] [7] 229} Th原子核のレーザー分光を行い、低エネルギー遷移を利用して極めて高精度の原子時計を開発することが提案されている。 ^{[8] [9] [10]}

トリウムの既知の同位体は質量数が207 ^[11]から238の範囲である。

トリウムはトリウムベースの原子力発電での使用が提案されている。

多くの国では、トリウムは放射性物質であるため、消費者向け製品への使用は禁止または推奨されていません。

高温での物理的安定性と表面から電子を除去するために必要な作業エネルギーが低いという特徴を兼ね備えているため、現在は真空管の陰極に使用されています。

約 1 世紀にわたって、ガス灯やキャンプ用ランタンなどのガスランプや蒸気ランプのマントル部分に使用されてきました。

トリウムは、第二次世界大戦中にコダックが製造したエアロ・エクターレンズの特定のガラス要素にも使用されていました。そのため、それらは軽度の放射性を持っています。 ^[15] f/2.5エアロ・エクターレンズのガラス要素のうち2つは、重量で11%と13%のトリウムを含んでいます。トリウムを含むガラスが使用されたのは、屈折率が高く分散（波長による屈折率の変化）が低いという非常に望ましい特性があるためです。現存するエアロ・エクターレンズの多くは茶色がかっていますが、これはガラスへの放射線による損傷が原因であると考えられます。

これらのレンズは、放射線レベルが短期間ではフィルムを曇らせるほど高くないため、空中偵察に使用されました。これは、放射線レベルが十分に安全であることを示しています。ただし、使用していないときは、これらのレンズを通常の居住地域からできるだけ離れた場所に保管し、反比例関係で放射線を減衰させるのが賢明です。^[16]

²²⁸ Thは、 138 個の中性子を持つトリウムの同位体ですトリウム 232 の崩壊系列で発生することから、かつては放射性トリウムと呼ばれていました。半減期は 1.9116 年です。アルファ崩壊して²²⁴ Raになります。時折、クラスター崩壊という珍しい経路で崩壊し^{、 20} Oの原子核を放出して^{安定した208} Pb を生成しますトリウム崩壊系列では ²³² Uの娘同位体です

²²⁸ Thの原子量は228.0287411グラム/モルです。

^{崩壊生成物である224Ra}とともにアルファ粒子放射線療法に使用されます。^[22]

²²⁹ Thはトリウムの放射性 同位体で、アルファ線放出により半減期7917年で崩壊する。 ^{[2] 229 Thは}ウラン233の崩壊によって生成され、その主な用途は医療用同位体アクチニウム225とビスマス213の生成である。 ^[23]

²²⁹ Thには核異性体があり、^{229メートル}
の
、励起エネルギーは著しく低い8.355 733 554 021 (8) eV。^[7]

この低いエネルギーのため、^229m Thの寿命は原子核の電子環境に大きく依存する。中性²²⁹ Thでは、異性体は数マイクロ秒以内に内部転換により崩壊する。 ^{[24] [25] [13]} しかし、異性体のエネルギーは2番目の電子を除去するのに十分ではない（トリウムの2番目のイオン化エネルギーは11.5 eV）であるため、Th ⁺イオンでは内部変換は不可能です。放射崩壊は、8.4桁長い半減期で発生し、1000秒を超えます。^{[25] [26]}イオン結晶 に埋め込まれているため、イオン化は100％ではないため、少量の内部変換が発生し、最近測定された寿命は≈600秒であり、^{[6] [14]}これは孤立したイオンの寿命に外挿することができる。1740 ± 50秒[ ^6]

この励起エネルギーは光子周波数に対応し、2 020 407 384 335 ± 2 kHz（波長148.382 182 8827 (15) nm）。^{[7] [27] [6] [14]} 非常に高い周波数の真空紫外線周波数範囲ではあるが、この周波数で動作するレーザーを構築することは可能であり、核状態を直接レーザー励起する唯一の既知の機会を提供し、^[28]これは非常に高精度の核時計^{[9] [10] [29] [30]}や量子コンピューティング用の量子ビットなどの用途がある可能性がある。^[31]

これらの応用は、レーザー励起の精密さゆえに広い周波数範囲の探索が困難であり、異性体エネルギーの測定が不正確であったために長い間妨げられてきた。2024年に周波数が正確に測定されるまで、²²⁹ Thの異性体状態の遷移エネルギーを正確に決定し、その他の特性（寿命や磁気モーメントなど）を特定しようとする理論的および実験的研究が数多く行われた。^{[6] [27] [14]}

初期の測定はガンマ線分光法によって行われ、^{229 Th の}29.5855 keV励起状態を観測し、^229m Th (90%) または^{229 Th (10%) 異性体状態に崩壊する際に放出されるガンマ線エネルギーの差を測定する。1976 年、Kroger と Reich は}変形した核におけるコリオリの力の効果を理解しようとし、トリウムのガンマ線スペクトルを理論的な核形状モデルに一致させようとした。驚いたことに、既知の核状態は、異なる全角運動量量子化レベルに合理的に分類できなかった。彼らは、以前に²²⁹ Thとして特定された状態のいくつかは、実際にはスピンから生じたと結論付けた。3/2⁠核異性体^229m Thは励起エネルギーが著しく低い。^[32]

当時、エネルギーは100 eV以下であると推測されていたが、これは異性体の直接崩壊が観測されていないことに基づいていた。しかし、1990年にさらなる測定が行われ、エネルギーはほぼ確実に10 eV以下であるという結論に至り、^[33]これは既知の異性体励起エネルギーの中で最も低いものの一つとなった。その後数年間で、エネルギーはさらに制限された。3.5 ± 1.0eVであり、これは長い間受け入れられたエネルギー値であった。^[34]

2007年に、先進的な高解像度X線マイクロカロリメータを使用した改良されたガンマ線分光測定が行われ、遷移エネルギーの新しい値が得られました。7.6 ± 0.5 eV、^[35]を補正すると2009年には7.8 ± 0.5eVに達しました。 ^[36]この高いエネルギーは、放出された光子を観測する以前の試みでは考慮されていなかった2つの結果をもたらします。

• トリウムより上だから6.08 eVの第一イオン化エネルギーでは、中性^229m Thは極めて低い確率で放射崩壊し、
• それは上にあるので6.2 eV真空紫外線カットオフでは、生成された光子は空気中を移動できません。

しかし、より高いエネルギーがわかっていても、2010年代に行われた異性体崩壊による光の探索のほとんどは、いかなる信号も観測できず、^{[37] [38] [39] [40]}潜在的に強力な非放射崩壊チャネルを示唆している。異性体崩壊で放出された光子の直接検出は、2012年^[41]と2018年に主張された。 ^[42]しかし、両方の報告はコミュニティ内で議論を巻き起こした。^{[43] [44]}

^{229m Thの}内部転換崩壊チャネルで放出される電子の直接検出は2016年に達成されました。^[45]しかし、当時は異性体の遷移エネルギーは6.3〜18.3 eVの間に弱く制限されていました。最終的に、2019年に、異性体崩壊で放出される内部転換電子の非光学的電子分光法によって、異性体の励起エネルギーを決定することができました。8.28 ± 0.17 eV。^[46]しかし、この値は2018年のプレプリントと矛盾しているようで、同様の信号は8.4 eVキセノンVUV光子は表示できますが、約1.3+0.2
−0.1 eV少ないエネルギーと（遡及的に正しい）寿命は1880 ± 170秒である。^[42]その論文では、^{229 Thが}SiO2に埋め込まれ、エネルギーシフトと寿命の変化をもたらした可能性があるが_、関与する状態は主に核であり、電子相互作用から保護されている。

^{2018年の別の実験では、 229m} Thの核特性に関する初のレーザー分光特性評価を行うことができました。 ^[47]この実験では、²²⁹ Th原子殻のレーザー分光は、 2%のイオンが核励起状態にある²²⁹ Th ²⁺イオン雲を使用して実施されました。これにより、基底状態と異性体状態の異なる核スピン状態によって引き起こされる超微細シフトを調べることができました。このようにして、 ^229m Thの磁気双極子と電気四重極モーメントの最初の実験値を推測することができました。

2019年に、異性体の励起エネルギーは8.28 ± 0.17 eVの内部転換電子の直接検出に基づく^{[46]と、核基底状態からの229m} Thの安全な分布は、29 keVの核励起状態をシンクロトロン放射で測定した。^[48] 2020年に別のグループが行った追加測定では、8.10 ± 0.17 eV（153.1 ± 3.2nmの波長）。^[49] これらの測定値を組み合わせると、予想される遷移エネルギーは8.12 ± 0.11 eV . ^[50]

2022年9月、崩壊するサンプルの分光分析により、励起エネルギーは8.338 ± 0.024 eV . ^[51]

2024年4月、2つの別々のグループが、イオン結晶（CaF ₂とLiSrAlF ₆に電荷補償のための格子間F ⁻アニオンを追加）にドープされたTh ⁴⁺カチオンを精密レーザー励起し、遷移エネルギーの正確な（約1 ppm）測定値を報告しました。^{[27] [8] [6] [14]} 1 ppm （10 ⁻¹²）の測定は2024年6月にすぐに開始され、^{[7] [52]}、将来の高精度レーザーは最高の原子時計の精度は10 ^{−18 で}ある。^{[7] [10] [30]}

²³⁰ Thはトリウムの放射性 同位体で、サンゴの年代測定や海流フラックスの測定に使用できます。イオニウムは、放射性元素の研究の初期に、^{イオニウムとトリウムが化学的に同一であることが認識される前に、 238} Uの崩壊系列で生成された²³⁰ Th 同位体に付けられた名前です。この推定元素には記号Ioが使用されました。(この名前は、イオニウム-トリウムの年代測定で今でも使用されています。)

²³¹ Thは141個の中性子を持っています。これはウラン235の崩壊生成物です。地球上には微量に存在し、半減期は25.5時間です。 ^[53]崩壊するとベータ線を放出し、プロトアクチニウム231を形成します。崩壊エネルギーは0.39 MeVです。質量は231.0363043 uです。

²³² Thはトリウムの唯一の原始核種であり、実質的に天然トリウムのすべてを構成しており、トリウムの他の同位体はウランとトリウムの比較的短寿命の崩壊生成物として微量にしか存在しない。 ^[54] この同位体はアルファ崩壊により半減期1.405 × 10¹⁰年で、地球の3倍以上、宇宙の年齢とほぼ同じです。その崩壊系列はトリウム系列で、最終的に鉛208で終わります。系列の残りは短く、最も長い半減期はラジウム228で5.75年、トリウム228で1.91年で、他の半減期はすべて15日未満です。 ^[55]

²³² Thは中性子を吸収して核分裂性核種ウラン233に変換できる有核物質であり、トリウム燃料サイクルの基礎となっている。[ 56 ]^二酸化トリウム懸濁液であるトロトラスト の形で、初期のX線診断における造影剤として使用されていた。トリウム232は現在、発がん性物質として分類されている。^[57]

²³³ Thはベータ崩壊によりプロトアクチニウム233に崩壊するトリウムの同位体である。半減期は21.83分である。 ^{[1] 232} Thの自然な中性子活性化の結果として、自然界に痕跡が残る。 ^[58]

²³⁴ Th は、原子核に144 個の中性子を含むトリウムの同位体です。234Thの半減期は^24.1日で、崩壊するとベータ粒子を放出し、その過程でプロトアクチニウム-234に変換されます。234Th の質量は 234.0436原子質量単位であり、崩壊エネルギーは約 270 keV です。ウラン-238^{は通常、このトリウムの同位体に崩壊します (ただし、まれに}自発核分裂を起こすこともあります)。

• 同位体質量:
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001
• 同位体組成と標準原子質量:
  • de Laeter, John Robert ; Böhlke, John Karl ; De Bièvre, Paul ; Hidaka, Hiroshi ; Peiser, H. Steffen ; Rosman, Kevin JR ; Taylor, Philip DP (2003). 「元素の原子量。レビュー 2000 (IUPAC 技術レポート)」。純粋および応用化学。75 (6): 683–800。doi : 10.1351/pac200375060683。
  • Wieser, Michael E. (2006). 「元素の原子量 2005 (IUPAC 技術レポート)」.純粋および応用化学. 78 (11): 2051–2066. doi : 10.1351/pac200678112051 .
• 「ニュースとお知らせ: 標準原子量の改訂」国際純正応用化学連合。2005 年 10 月 19 日。
• 半減期、スピン、異性体データは、以下のソースから選択されています。
  • G. Audi; AH Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). 「NUBASE による核特性と崩壊特性の評価」(PDF) . Nuclear Physics A . 729 (1): 3–128. Bibcode :2003NuPhA.729....3A. doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 2011-07-20 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  • 国立核データセンター。「NuDat 2.x データベース」。ブルックヘブン国立研究所。
  • ホールデン、ノーマン E. (2004)。「11. 同位体の表」。ライド、デビッド R. (編)。CRC化学および物理学ハンドブック(第 85 版)。フロリダ州ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-0-8493-0485-9。