토륨 (Th)

발견 과정

발견: 1828 · Jöns Jacob Berzelius

In 1815, the Swedish chemist Jöns Jacob Berzelius analysed an unusual sample of gadolinite from a copper mine in Falun, central Sweden. He noted impregnated traces of a white mineral, which he cautiously assumed to be an earth (oxide in modern chemical nomenclature) of an unknown element. Berzelius had already discovered two elements, cerium and selenium, but he had made a public mistake once, announcing a new element, gahnium, that turned out to be zinc oxide. Berzelius privately named the putative element "thorium" in 1817 and its supposed oxide "thorina" after Thor, the Norse god of thunder. In 1824, after more deposits of the same mineral in Vest-Agder, Norway, were discovered, he retracted his findings, as the mineral (later named xenotime) proved to be mostly yttrium orthophosphate.

용도와 활용

토륨은 중간 정도 부드럽고, 상자성을 가지는 밝은 은색의 악티늄족 금속이다. 주기율표상으로 악티늄(Ac)의 오른쪽, 프로트악티늄(Pa)의 왼쪽, 세륨(Ce)의 아래쪽에 배열된다. 순수한 토륨은 연성이 좋다. 토륨 금속은 실온에서 면심입방격자 구조를 가진다. 온도와 압력에 따라 다른 두 가지 결정 구조도 가질 수 있는데1360 °C이상에서는 체심입방격자, 100 GPa정도의 압력에서는 정방정계 구조를 가진다. 토륨 금속은54 GPa의 체적 탄성 계수를 가지는데, 이는 주석(Sn)의 경우인58.2 GPa와 비슷한 값이다. (비교를 위해, 알루미늄은75.2 GPa, 구리는137.8 GPa, 그리고 연철(mild steel)의 경우는160–169 GPa이다.) 토륨은 연철 정도의 단단함을 가지기 때문에 열을 가하면 시트, 판으로 만들거나 줄로 뽑아낼 수도 있다. 토륨은 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 절반 정도의 밀도를 가지며 그 둘보다 단단하다. 1.4 K이하의 온도에서는 초전도체가 된다. 토륨의 녹는점은1750 °C로 악티늄(1227 °C)과 프로트악티늄(1568 °C)의 경우보다 높다. 7주기가 시작되는 부분, 즉 프랑슘(Fr)에서 토륨으로 갈수록 원소들의 녹는점은 증가한다(다른 주기들에서도 이런 성질이 나타난다). 그 이유는 원자가 가진 비국소 전자의 개수가 많아지고(프랑슘은1개, 토륨은4개)금속에서 전자와 금속 이온 부분의 결합(금속 결합)이 더 강해진다는 것이다. 또 토륨에서 플루토늄까지 녹는점이 낮아지는 경향도 있는데, 이 두 원소 사이의 구간에서5f오비탈에 있는 전자 개수는0.4에서6으로 증가한다. 이 경향은5f와6d오비탈의 혼성화가 증가하고 복잡한 결정 구조 안의 방향성 결합(directional bond) 형성으로 인한 금속결합의 약화가 원인이 된다. (토륨의f오비탈 전자의

동위원소

원자번호83번 비스무트(Bi)보다 작은 원자 번호를 가진 원소들에게는 프로메튬(Pm)과 테크네튬(Tc)을 제외하고 한가지 이상의 안정한 동위원소가 존재한다. 폴로늄(Po, 원자번호84번) 이상의 원자 번호를 지닌 원소들은 방사성 원소로 여겨진다. 232Th은 비스무트 이후 등장하는 반감기가 몇십억 년인 세 동위원소 중 하나다. (나머지 둘은235U와238U) 232Th의 반감기는140.5억 년으로, 지구의 나이보다3배 정도 더 길며 우주의 나이보다 조금 더 길다. 그러므로 지구에는 지구가 형성될 때부터 있었던 토륨 중4/5가 지금까지 남아있다. 232Th는 자연적으로 존재하는 유일한 토륨 동위원소다. 이 동위원소의 안정성은142개의 중성자를 가지는 닫힌(꽉 찬) 원자핵의 부분 껍질(nuclear subshell)에 의해서 나타난다. 토륨은 지구에서 특유의 동위원소 조성을 가지고, 표준 원자량은232.0377(4)이다. 토륨은 표준 원자량이 계산된 세 방사성 원소 중 하나이다. (나머지 원소들은 비스무트, 프로트악티늄, 우라늄이다) 토륨 원자핵은 알파붕괴를 하는데 그 이유는 강한 핵력이 큰 원자핵 안에서는 양성자들 사이의 전자기적 반발력을 이겨낼 수 없기 때문이다. 232Th의 알파 붕괴는 질량수가4의 배수인 동위원소들을 포함하는, 토륨 계열이라고도 불리는4n붕괴 계열을 시작시킨다. 이 알파붕괴와 베타붕괴의 연속은232Th부터228Ra로, 최종적으로는 안정 동위원소208Pb에서 끝난다. 토륨과 그 화합물 샘플은 붕괴 산물들을 포함하는데, 이들은 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi), 폴로늄(Po), 라돈(Rn), 라듐(Ra), 그리고 악티늄(Ac)의 동위 원소들이다. 그래서 자연적인 토륨 샘플을 화학적으로 분리하여 유용한 붕괴 산물로써 나오는 동위원소를 얻기도 한다. 예를 들어 토