초악티늄족 원소

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 초기 예측
- 2.2. 발견
3. 초중원소의 합성 및 특징
- 3.1. 합성 방법
- 3.2. 특징
4. 원소 목록
5. 안정성의 섬
6. 8주기 원소 (운비우노이드)
참조

1. 개요

초악티늄족 원소는 원자 번호가 103보다 큰 원소들을 지칭하며, 자연계에는 존재하지 않아 인공적으로 합성된다. 19세기 말부터 과학자들은 우라늄보다 무거운 원소의 존재를 예측했으며, 1960년대부터 여러 연구소에서 초중원소 합성이 진행되었다. 현재 로렌슘부터 오가네손까지의 원소가 확인되었으며, 아시아 국가 최초로 니호늄 합성에 성공한 RIKEN의 성과가 한국 과학계에 자극을 주었다. 초중원소는 금속 원자 충돌, 즉 냉핵융합 반응과 악티늄족 원소와 경원소의 충돌, 즉 열핵융합 반응을 통해 합성된다. 합성된 원소는 매우 불안정하며, 주로 알파 붕괴와 자발 핵분열을 통해 붕괴한다. 이러한 초중원소는 상대론적 효과로 인해 주기율표상의 동족 원소와는 다른 화학적 성질을 가질 것으로 예상되며, 121번부터 153번까지의 8주기 원소들은 5g, 6f 오비탈의 채움으로 독특한 화학적 성질을 나타낼 것으로 예상된다.

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초악티늄족 원소
개요
주기율표에서 초중원소의 위치 (Z ≥ 104 (Rf))
정의
초중원소	원자 번호 104에서 120까지의 화학 원소
기타 명칭	트랜스악티나이드 원소 초악티늄족 원소 (121번부터 153번까지의 화학 원소 집합과는 구별)
특징
위치	악티늄족 원소 다음에 위치
안정성	질량과 전하의 한계에 가까워 불안정함
역사
발견	20세기 후반, 입자 가속기를 이용한 핵반응을 통해 합성
연구	안정성의 섬 가설에 대한 연구 활발
참고 문헌
참고 자료	Superheavy Element Discovery - Glenn T. Seaborg Institute A New Era of Discovery: the 2023 Long Range Plan for Nuclear Science The search for superheavy elements: Historical and philosophical perspectives Kernchemie
같이 보기
관련 항목	트랜스우라늄 원소 악티늄족 원소 안정성의 섬

2. 역사

핵융합 반응의 그래픽 묘사. 두 개의 원자핵이 하나로 융합되어 중성자를 방출한다. 현재까지 새로운 원소를 생성한 반응은 이와 비슷하며, 유일한 차이점은 때때로 하나 이상의 중성자가 방출되거나 전혀 방출되지 않는다는 점이다.

핵물리학에서 원자 번호가 높은 원소는 중원소라고 한다. 납(원소 82)은 그러한 중원소의 한 예이다. "초중원소"라는 용어는 일반적으로 원자 번호가 103보다 큰 원소를 가리킨다. 원자핵은 크기가 다른 두 개의 다른 원자핵을 하나로 결합하는 핵반응에서 생성된다. 대략적으로, 질량 측면에서 두 원자핵이 불균일할수록 두 원자핵이 반응할 가능성이 커진다.^[14] 더 무거운 원자핵으로 만들어진 물질을 표적으로 만들고, 가벼운 원자핵의 빔으로 충격을 가한다.

두 개의 원자핵은 서로 충분히 가까이 접근해야만 융합될 수 있다. 일반적으로 원자핵(모두 양전하를 띰)은 정전기적 반발력 때문에 서로 밀어낸다. 강한 상호작용은 이 반발력을 극복할 수 있지만 원자핵에서 매우 짧은 거리 내에서만 가능하며, 따라서 빔 원자핵은 이러한 반발력이 빔 원자핵의 속도에 비해 무시할 만큼 작게 만들기 위해 입자 가속기를 통해 크게 가속된다.^[15]

2. 1. 초기 예측

19세기 말, 주기율표는 우라늄(원자번호 92)에서 끝났지만, 과학자들은 그 너머의 원소 존재 가능성을 탐구하기 시작했다. 1895년 율리우스 톰센은 원자번호 118번까지의 원소를 예측했고,^[11] 1913년 요하네스 리드베리는 원자번호 460번까지의 원소를 포함하는 확장된 주기율표를 제안했다.^[11]

2. 2. 발견

1960년대부터 미국, 소련(러시아), 독일 등의 연구소에서 초중원소 합성을 위한 노력이 이어졌다. 핵융합 반응을 통해 새로운 원소를 생성하는데, 두 원자핵이 충분히 가까워져야 융합될 수 있다. 이때 정전기적 반발력을 극복하기 위해 강한 상호작용이 필요하며, 입자 가속기를 통해 빔 원자핵을 가속시킨다.^[15]

두 원자핵이 융합되어 여기 상태의 복합핵을 형성하지만, 이는 매우 불안정하여 더 안정적인 상태를 위해 핵분열을 일으키거나 중성자를 방출한다.^[15]^[20] IUPAC/IUPAP 합동 연구팀의 정의에 따르면, 원자핵이 10^-14초 이내에 붕괴되지 않아야 화학 원소로 인정된다.^[21]

이러한 연구를 통해 로렌스 버클리 국립 연구소, 핵물리학 공동연구소, 헬름홀츠 중이온 연구소 등에서 104번 러더포듐부터 118번 오가네손까지의 원소가 발견되었다. 특히, 일본의 RIKEN(이화학 연구소)은 113번 니호늄(Nh) 합성에 성공하여 아시아 국가 최초로 원소 발견의 성과를 거두었다.

3. 초중원소의 합성 및 특징

초중원소는 대부분 방사성 원소이며, 반감기가 수 마이크로초에서 수 초 정도로 매우 짧아 확인이 어렵고 화학적 성질도 자세히 알려져 있지 않다.^[23] 다만, 더브늄-268처럼 반감기가 수 시간 정도인 핵종도 있으며, 원자번호 114 부근에는 안정의 섬이라 불리는 장수명 핵종이 존재할 것이라는 예측도 있다.^[23]

초중원소는 원자핵의 큰 양전하 때문에 주변 전자와의 상호작용이 매우 강하다. 이로 인해 내각 전자는 광속에 가깝게 움직이며, 상대론적 효과로 질량이 증가하여 궤도 반지름이 수축한다(직접적인 상대론적 효과). 반면 외각 전자는 내각 궤도 수축으로 원자핵의 양전하가 가려져 궤도 반지름이 오히려 커진다(간접적인 상대론적 효과).^[23] 이러한 현상은 원자번호에 비례하여 강해지므로, 화학 결합에 관여하는 원자가 전자가 크게 변화하여 초중원소는 주기율표상 동족 원소와 다른 화학적 성질을 보일 것으로 예상된다.^[23]

3. 1. 합성 방법

초중원소는 자연계에 존재하지 않으므로, 주로 두 가지 핵융합 반응을 통해 합성된다. 하나는 금속 원자에 다른 금속 원자를 이온빔으로 충돌시키는 "냉핵융합 반응"이고, 다른 하나는 악티늄족 원소에 이온빔으로 만든 경원소 원자를 충돌시키는 "열핵융합 반응"이다. 여기서 "열"과 "냉"은 충돌로 생성되는 새로운 원소의 여기 에너지량을 나타낸다. 두 방법 모두, 먼저 두 원자가 충돌하여 여기된 '''복합핵'''이 생성되고, 이것이 곧 중성자(n)를 방출하여 '''초중핵종'''이 된다.^[23]

예를 들어, 원자번호(Z) 104번인 러더퍼듐(Rf)을 합성하려면, 캘리포늄(₉₈Cf)에 원자번호 6인 탄소(₆C)를 이온빔으로 충돌시킨다. 이 핵반응은 다음과 같이 표현된다.

:²⁴⁹Cf + ¹²C → (²⁶¹Rf*) → ²⁵⁷Rf + 4n

간략하게는 다음과 같다.

:²⁴⁹Cf(¹²C,4n)²⁵⁷Rf

여기서 ²⁶¹Rf*는 '''복합핵'''이고, ²⁵⁷Rf는 4개의 중성자를 방출하여 생성된 '''초중핵종'''이다.

새로운 원자핵이 생성되면 빔과 함께 운반되어 분리기로 이동한다. 분리기에서는 새로 생성된 원자핵이 다른 핵종과 분리된다. 이후 표면 장벽 검출기로 이동하여 원자핵을 정지시키고, 충격 위치, 에너지, 도착 시간을 측정한다.^[23] 전달에는 약 10⁻⁶초가 걸리며, 검출되려면 원자핵은 이 시간 동안 생존해야 한다. 원자핵의 붕괴가 기록되면 위치, 에너지, 붕괴 시간이 다시 측정된다.^[23]

알파 붕괴는 방출된 알파 입자로 기록되며, 붕괴 생성물은 실제 붕괴 전에 쉽게 결정할 수 있다. 이러한 붕괴 또는 일련의 연속적인 붕괴가 알려진 원자핵을 생성하는 경우, 반응의 원래 생성물을 쉽게 결정할 수 있다. 그러나 자발 핵분열은 다양한 원자핵을 생성물로 생성하므로, 원래 핵종은 딸 원자핵으로부터 결정할 수 없다.

3. 2. 특징

초중원소는 대부분 매우 짧은 반감기를 가진다.^[24]^[25] 원자핵의 안정성은 강한 상호작용에 의해 제공되지만, 그 범위는 매우 짧다. 원자핵이 커질수록 가장 바깥쪽 핵자(양성자와 중성자)에 대한 영향력이 약해진다. 동시에, 양성자 사이의 정전기적 반발력은 범위에 제한이 없어 원자핵을 찢어지게 한다.^[24] 초중원소는 주로 이러한 반발력에 의해 발생하는 알파 붕괴와 자발 핵분열을 통해 붕괴된다.^[24]^[25]

초기 액체 방울 모형은 약 280개의 핵자를 가진 원자핵에서 핵분열 장벽이 사라져 자발 핵분열이 즉시 발생한다고 예측했다.^[25]^[30] 그러나 이후 핵 껍질 모형은 약 300개의 핵자를 가진 원자핵이 안정성의 섬을 형성하여 자발 핵분열에 더 강하게 저항하고 주로 알파 붕괴를 겪을 것이라고 제안했다.^[25]^[30]

상대론적 효과로 인해 초악티늄족 원소는 주기율표상의 동족 원소와는 다른 화학적 성질을 가질 수 있다. 103번 원소 로렌슘부터 112번 원소 코페르니슘까지의 원소들은 6d 계열 전이 원소를 형성한다. 113번 원소 니호늄부터 118번 원소 오가네손까지의 원소들은 7p 계열을 형성하며, 강한 상대론적 효과의 영향을 받는다.^[7]

118번 원소는 합성된 마지막 원소이다. 119번 원소와 120번 원소는 8s 계열을 형성하고 각각 알칼리 금속과 알칼리 토금속이어야 하지만, 상대론적 효과로 인해 루비듐 및 스트론튬과 더 비슷하게 거동할 것으로 예상된다.^[7]

121번 원소부터 초악티늄족 계열이 시작될 것으로 예상되며, 전자껍질의 혼합으로 인해 주기율표 블록 개념이 적용되지 않고 새로운 화학적 성질이 나타날 수 있다.^[7]

초중원소는 생성량이 극히 적기 때문에, 단일 원자 수준에서 화학적 성질을 연구하는 특별한 기술이 필요하다. 이를 '''단일 원자 화학'''이라고 하며, 단일 입자를 가정한 열역학적 함수를 도입하여 질량 작용의 법칙과 동등한 해석을 한다.

4. 원소 목록

번호	이름	기호	명명 유래
104	러더포듐	Rf	어니스트 러더퍼드
105	더브늄	Db	모스크바 근교 도시 두브나
106	시보귬	Sg	글렌 시보그
107	보륨	Bh	닐스 보어
108	하슘	Hs	다름슈타트가 위치한 헤세
109	마이트너륨	Mt	리제 마이트너
110	다름슈타튬	Ds	다름슈타트
111	뢴트게늄	Rg	빌헬름 뢴트겐
112	코페르니슘	Cn	니콜라우스 코페르니쿠스
113	니호늄	Nh	일본의 리켄 연구소가 위치한 일본
114	플레로븀	Fl	러시아 물리학자 게오르기 플료로프
115	모스코븀	Mc	모스크바
116	리버모륨	Lv	로렌스 리버모어 국립 연구소
117	테네신	Ts	오크리지 국립 연구소가 위치한 테네시
118	오가네손	Og	러시아 물리학자 유리 오가네시안

5. 안정성의 섬

이론적으로 원자번호 114번(플레로븀) 부근에 상대적으로 긴 반감기를 갖는 초중원소들이 존재할 가능성이 예측되며, 이를 "안정성의 섬"이라고 한다. 안정성의 섬에 대한 연구는 초중원소 연구의 중요한 목표 중 하나이며, 한국 과학계도 이 분야 연구에 적극적으로 참여해야 한다.

6. 8주기 원소 (운비우노이드)

8주기 원소에서 란타넘족 원소와 악티늄족 원소에 해당하는 위치에는 원자번호 121인 운비우늄부터 153인 운펜트륨까지 33개의 원소가 있다. 이들을 운비우노이드(superactinide)라고 부른다. 모든 운비우노이드는 초중원소이기도 하다. 2024년 현재, 모든 운비우노이드는 아직 발견되지 않았다.

원자번호 121인 운비우늄부터 138인 운트리옥튬까지 18개의 원소는 주기율표에 처음 등장하는 G 블록 원소이며, 5g 궤도에 전자가 채워질 것으로 예상된다. 또한, 원자번호 139인 운트리엔늄부터 153인 운펜트륨까지 15개의 원소는 란타넘족 원소와 악티늄족 원소의 동족 원소에 해당하는 F 블록 원소이며, 6f 궤도에 전자가 채워질 것으로 예상된다. 5g 궤도와 6f 궤도 모두 내각 전자 궤도이기 때문에, 운비우노이드의 화학적 성질은 비슷할 것으로 예상된다.

'''에카악티늄족 원소'''(eka-actinide)라고도 불리지만, F 블록 부분만을 가리켜 사용되기도 하므로, 모호한 용어이다. 아직 발견되지 않은 원소들인 만큼, 용어나 한국어 번역이 아직 확정되지 않았다.

참조

_[1] 웹사이트 Superheavy Element Discovery Glenn T. Seaborg Institute https://seaborg.llnl[...] 2024-09-02
_[2] 논문 Chemistry of superheavy transition metals 2022
_[3] 서적 Essential Trends in Inorganic Chemistry Oxford University Press 1998
_[4] 웹사이트 A New Era of Discovery: the 2023 Long Range Plan for Nuclear Science https://science.osti[...] U.S. Department of Energy 2023-10
_[5] arXiv The search for superheavy elements: Historical and philosophical perspectives 2017
_[6] 웹사이트 IUPAC Provisional Recommendations for the Nomenclature of Inorganic Chemistry (2004) http://www.iupac.org[...]
_[7] 서적 The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Springer
_[8] 웹사이트 Kernchemie http://www.kernchemi[...]
_[9] 웹사이트 Explainer: superheavy elements https://www.chemistr[...] 2016
_[10] 웹사이트 Discovery of Elements 113 and 115 https://pls.llnl.gov[...] Lawrence Livermore National Laboratory
_[11] 백과사전 Electronic Structure of the Transactinide Atoms John Wiley & Sons 2018
_[12] 논문 Attempt to produce the isotopes of element 108 in the fusion reaction ¹³⁶Xe + ¹³⁶Xe 2009
_[13] 논문 The identification of element 108 http://www.gsi-heavy[...] 1984
_[14] 뉴스 Making New Elements Doesn't Pay. Just Ask This Berkeley Scientist https://www.bloomber[...] 2019-08-28
_[15] 웹사이트 Сверхтяжелые шаги в неизвестное https://nplus1.ru/ma[...] 2019
_[16] 웹사이트 Something new and superheavy at the periodic table http://theconversati[...] 2017
_[17] 논문 Cross sections for some (n, p) and (n, α) reactions 1959
_[18] 논문 Comparing Experimental and Theoretical Quasifission Mass Angle Distributions 2015
_[19] 웹사이트 Nuclear Reactions http://oregonstate.e[...]
_[19] 서적 Modern Nuclear Chemistry John Wiley & Sons, Inc. 2005
_[20] 논문 Neutron Sources for ADS Czech Technical University in Prague 2010
_[21] 논문 Criteria that must be satisfied for the discovery of a new chemical element to be recognized http://publications.[...] 1991
_[22] 논문 A History and Analysis of the Discovery of Elements 104 and 105 http://www.escholars[...] 1987
_[23] 웹사이트 How to Make Superheavy Elements and Finish the Periodic Table [Video] https://www.scientif[...] 2016
_[24] 웹사이트 Alpha decay http://metronu.ulb.a[...] Université libre de Bruxelles 2019
_[25] 웹사이트 Nuclear fission http://metronu.ulb.a[...] Université libre de Bruxelles 2019
_[26] 논문 Spontaneous fission modes and lifetimes of superheavy elements in the nuclear density functional theory 2013
_[27] 논문 On the volatility of nihonium (Nh, Z = 113) 2017
_[28] 논문 Nuclei in the "Island of Stability" of Superheavy Elements 2012
_[29] 학회 Fission properties of the heaviest elements https://digital.libr[...] University of North Texas 1994
_[30] 논문 Superheavy elements https://physicsworld[...] 2004
_[31] 논문 Chemistry of the superheavy elements 2015
_[32] 학회 Biomodal spontaneous fission 1989
_[33] 논문 A beachhead on the island of stability 2015
_[34] 논문 Weighing the heaviest elements 2018
_[35] 웹사이트 Exploring the superheavy elements at the end of the periodic table https://cen.acs.org/[...] 2019
_[36] 저널 The Transfermium Wars: Scientific Brawling and Name-Calling during the Cold War https://www.scienceh[...] 2020-02-22
_[37] 웹사이트 Популярная библиотека химических элементов. Сиборгий (экавольфрам) http://n-t.ru/ri/ps/[...] 2020-01-07
_[38] 웹사이트 Nobelium - Element information, properties and uses Periodic Table https://www.rsc.org/[...] 2020-03-01
_[39] 저널 Responses on the report 'Discovery of the Transfermium elements' followed by reply to the responses by Transfermium Working Group https://www.iupac.or[...] 2016-09-07
_[40] 저널 Names and symbols of transfermium elements (IUPAC Recommendations 1997) http://publications.[...] 1997
_[41] 서적 2018
_[42] 서적 2018
_[43] 서적 2018
_[44] 논문 Electronic structure of element 123 http://fse.studentth[...] Rijksuniversiteit Groningen 2016
_[45] 저널 Synthesis and properties of isotopes of the transactinides
_[46] 저널 Superheavy elements and ultradense matter

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