캘리포늄 동위 원소
캘리포늄은 자연계에서 존재하지 않기 때문에 실험실이나 원자로에서 얻고 있다.
캘리포늄-245
이 동위체는 원자로에서 생성되지 않기 때문에 실험실에서 퀴륨-242에 헬륨을 합성시켜 얻고 있으며 반감기가 45분으로 짧다.
짧은 반감기에 가속기 합성으로 얻고 있기 때문에 극소량만 얻을 수 있으며 실험용으로 이용되고 있다.
캘리포늄-248
반감기가 333.5일로 알파 붕괴하여 퀴륨-244로 붕괴한다.
캘리포늄-249
원자로에서 생성되는 동위체로 반감기는 351년이다.
열중성자 핵분열 효율이 84~86% 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 효율도 75~80%나 되기 때문에 효과적인 핵분열 연료이나 미량 생성되기 때문에 큰 의미는 없다.
원자로에서는 퀴륨-248이 중성자를 흡수하여 퀴륨-249가 된 후 버클륨-249로 붕괴하는데 이 동위체의 반감기가 330일이나 되기 때문에 대부분의 동위체는 캘리포늄-249로 붕괴하기 전에 중성자를 흡수하여 버클륨-250이 된 후 캘리포늄-250이 된다.하지만 이러한 핵반응 순서 덕분에 캘리포늄-252가 대량 생성될 수 있는 조건이 제공된다.
임계질량은 6kg이며, 중성자 반사제를 이용하면 1.8kg까지 줄일 수 있지만 극미량 생성되기 때문에 실제 핵무기 제조는 불가능하다.
캘리포늄-250
캘리포늄 동위체 중 비교적 다량 생성되나 반감기는 13.08년으로 짧기 때문에 큰 의미는 없다.
자발 핵분열 비율이 매우 높아 위험한 핵 폐기물로 분류되며 중성자를 매우 잘 흡수하는 성질을 가지고 있어 251Cf의 합성에 이용되고 있다.
캘리포늄-251
반감기가 900년이나 되고 자발핵분열 비율도 낮아 좋은 핵연료와 핵무기 재료이지만 극미량밖에 얻는 것만이 가능하므로 이들 용도로 이용하는 것은 불가능하다.
임계질량은 5kg이며 중성자 반사제를 이용하면 1.4kg까지 줄일 수 있다. 열중성자 핵분열 효율이 68~74%, 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 71~76%로 핵분열 효율도 매우 높다.이 동위체는 반감기가 900년이나 되기 때문에 안정적으로 보관할 수 있으며, 캘리포늄의 화학적 성질에 대해 연구하는데 중요한 동위체이다.
열중성자의 중성자 흡수율이 매우 높은데 이 특성을 통해 캘리포늄-252를 대량 생성하는데 이용되고 있다.
캘리포늄-252
반감기가 2.645년으로 매우 짧으면서 자발핵분열 비율도 3.09%로 매우 높기 때문에 많은 중성자를 내뿜는다.
이 특성을 이용하여 1ug의 극소량으로도 중성자 수분계, 의학 용도, 중성자 탐지기로 이용할 수 있다.또한 원자로 내의 중성자 공급원으로도 이용되기도 한다.
다만 반감기가 짧기 때문에 해를 거듭할수록 방출되는 중성자의 수가 급감하므로 8~10년이 지나면 새걸로 갈아주어야 한다.
캘리포늄-250과 251의 높은 열중성자 흡수율 덕분에 이 동위체는 캘리포늄 동위 원소들 중 가장 많이 생성되는 동위체이다.
자발핵분열 비율이 높기 때문에 중성자를 흡수하면 65~70%가 스스로 핵분열을 하고 30~35% 가량의 핵분열성인 동위체인 캘리포늄-253이 생성되므로 연쇄 핵반응의 좋은 연료이며, 핵연료로도 사용할 수 있지만, 다음 핵분열성 동위체인 캘리포늄-253의 반감기가 17.81일밖에 되지 않아 비효율적이다.하지만 이 비효율적인 면이 캘리포늄-252의 반감기를 정확히 측정할 수 있도록 도움을 주었다.
퀴륨-250은 많은 자발핵분열로 인해 생성된 중성자로 캘리포늄-251이 다량 생성되는데, 이 동위체는 반감기가 길어 중성자를 맞고 충분히 핵분열을 하고 추가 중성자를 방출할 수 있는 시간이 주어짐에 따라 이 동위체가 본래 반감기보다 더 빨리 붕괴하게 되고 시료가 오염되므로 정확한 반감기를 측정하는데 상당히 곤란했지만, 캘리포늄-253은 반감기가 짧아 비핵분열성 동위체인 아인슈타이늄-253으로 대다수 붕괴되기 때문에 시료가 덜 오염되어 정확한 반감기를 측정할 수 있게 되었다.
다만 많은 중성자를 내뿜는 특성 때문에 캘리포늄 동위원소들 중 가장 주요시 되는 동위체이며 의학, 과학, 산업 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
캘리포늄-253
열중성자의 핵분열 효율이 98%이며, 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 비율이 60%로 상당히 훌륭한 핵연료이나 반감기가 17.81일로 매우 짧아 금방 253Es으로 붕괴되고 양도 매우 적게 생성되기 때문에 실험용으로 이용되고 있다.
캘리포늄-252의 높은 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 인해 캘리포늄-253이 생성되고 다시 중성자 폭격으로 캘리포늄-253 중 일부는 캘리포늄-254로 변환되는데 이 동위체는 대부분 자발핵분열로 붕괴하여 캘리포늄-252의 자발 핵분열성 중성자 생성에 기여하게 된다.
또한 253Es은 반감기가 20.47일로 짧아 금방 다시 핵 사이클이 시작되는 249Bk로 붕괴되는데 이러한 핵반응 과정은 캘리포늄-252가 많이 생성될 수 있는 조건을 만들어준다.
캘리포늄-254
반감기가 60.5일로 매우 짧으면서 대부분이 자발핵분열로 붕괴한다. 또한 0.31%는 알파 붕괴를 하는데 이 붕괴의 생성물도 자발핵분열을 주로 일으키는 퀴륨-250으로 붕괴한다.
원자로에서 극미량 생성되며, 캘리포늄-252 덩어리에서도 자발 핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 일부 생성되는데 이 동위체의 붕괴 방식은 캘리포늄-252의 중성자 생성과 동위체의 변환에 영향을 준다.
원자로에서 이 동위체는 극미량 생성되기는 하지만 대부분 핵분열 생성물로 붕괴하기 때문에 검출량은 미미하며, 원자로의 중성자 공급에 약간이나마 기여하는 동위체이다.
표
| 핵종 기호 | Z(p) | N(n) | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식[1][n 1] | 붕괴 생성물 | 핵 스핀 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 들뜬 에너지 | |||||||
| 237Cf | 98 | 139 | 237.06207(54)# | 2.1(3) s | SF | 다양 | 5/2+# |
| β+ | 237Bk | ||||||
| α | 233Cm | ||||||
| 238Cf | 98 | 140 | 238.06141(43)# | 21.1(13) ms | SF | 다양 | 0+ |
| β+ (드묾) | 238Bk | ||||||
| α (드묾) | 234Cm | ||||||
| 239Cf | 98 | 141 | 239.06242(23)# | 60(30) s [39(+37-12) s] | α | 235Cm | 5/2+# |
| β+ (드묾) | 239Bk | ||||||
| 240Cf | 98 | 142 | 240.06230(22)# | 1.06(15) min | α (98%) | 236Cm | 0+ |
| SF (2%) | 다양 | ||||||
| β+ (드묾) | 240Bk | ||||||
| 241Cf | 98 | 143 | 241.06373(27)# | 3.78(70) min | β+ (75%) | 241Bk | 7/2-# |
| α (25%) | 237Cm | ||||||
| 242Cf | 98 | 144 | 242.06370(4) | 3.49(15) min | α (80%) | 238Cm | 0+ |
| β+ (20%) | 242Bk | ||||||
| SF (0.014%) | 다양 | ||||||
| 243Cf | 98 | 145 | 243.06543(15)# | 10.7(5) min | β+ (86%) | 243Bk | (1/2+) |
| α (14%) | 239Cm | ||||||
| 244Cf | 98 | 146 | 244.066001(3) | 19.4(6) min | α (99%) | 240Cm | 0+ |
| ε (1%) | 244Bk | ||||||
| 245Cf | 98 | 147 | 245.068049(3) | 45.0(15) min | β+ (64%) | 245Bk | (5/2+) |
| α (36%) | 241Cm | ||||||
| 246Cf | 98 | 148 | 246.0688053(22) | 35.7(5) h | α | 242Cm | 0+ |
| ε (5×10−4%) | 246Bk | ||||||
| SF (2×10−4%) | 다양 | ||||||
| 247Cf | 98 | 149 | 247.071001(9) | 3.11(3) h | ε (99.96%) | 247Bk | (7/2+)# |
| α (0.04%) | 243Cm | ||||||
| 248Cf | 98 | 150 | 248.072185(6) | 333.5(28) d | α (99.99%) | 244Cm | 0+ |
| SF (0.0029%) | 다양 | ||||||
| 249Cf | 98 | 151 | 249.0748535(24) | 351(2) a | α | 245Cm | 9/2- |
| SF (5×10−7%) | 다양 | ||||||
| 249mCf | 144.98(5) keV | 45(5) µs | 5/2+ | ||||
| 250Cf | 98 | 152 | 250.0764061(22) | 13.08(9) a | α (99.92%) | 246Cm | 0+ |
| SF (0.077%) | 다양 | ||||||
| 251Cf[n 2] | 98 | 153 | 251.079587(5) | 900(40) a | α | 247Cm | 1/2+ |
| 252Cf[n 3] | 98 | 154 | 252.081626(5) | 2.645(8) a | α (96.9%) | 248Cm | 0+ |
| SF (3.09%)[n 4] | 다양 | ||||||
| 253Cf | 98 | 155 | 253.085133(7) | 17.81(8) d | β- (99.69%) | 253Es | (7/2+) |
| α (0.31%) | 249Cm | ||||||
| 254Cf | 98 | 156 | 254.087323(13) | 60.5(2) d | SF (99.69%) | 다양 | 0+ |
| α (0.31%) | 250Cm | ||||||
| β-β- (드묾) | 254Fm | ||||||
| 255Cf | 98 | 157 | 255.09105(22)# | 85(18) min | β- (99.99%) | 255Es | (7/2+) |
| SF (0.001%) | 다양 | ||||||
| α (10−5%) | 251Cm | ||||||
| 256Cf | 98 | 158 | 256.09344(32)# | 12.3(12) min | SF (99%) | 다양 | 0+ |
| β- (1%) | 256Es | ||||||
| α (10−6%) | 252Cm | ||||||
| β-β- (드묾) | 256Fm | ||||||