니호늄 동위 원소
1. 개요
니호늄의 동위 원소는 원자 번호 113의 초중원소인 니호늄의 핵종을 말하며, 현재 9개의 동위 원소가 알려져 있다. 니호늄 동위 원소는 입자 가속기에서 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 통해 합성하거나, 더 무거운 원소의 붕괴 생성물로 관찰된다. 니호늄-278에서 니호늄-290까지 존재하며, 알파 붕괴와 자발 핵분열을 통해 붕괴한다.
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원소별 동위 원소 목록 -
탄소 동위 원소
탄소 동위원소는 양성자 수는 6개로 같지만 중성자 수가 다른 탄소의 여러 형태로, 자연계에는 안정 동위원소인 탄소-12, 탄소-13과 방사성 동위원소인 탄소-14가 존재하며, 각각 원자 질량 단위 기준, 핵자기 공명 분광법, 방사성탄소연대측정법 등에 활용되고 비율 분석은 다양한 학문 분야에서 과거 환경 연구에 사용된다. -
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베릴륨 동위 원소
베릴륨 동위 원소는 자연계에 주로 존재하는 안정 동위원소 베릴륨-9와 방사성 동위원소로 구성되며, 베릴륨-7과 베릴륨-10은 우주선에 의해 생성되어 연구에 활용되고, 베릴륨은 안정 동위원소가 하나뿐인 특이한 원소이다.
2. 니호늄 동위 원소 목록
니호늄은 인공 원소로, 표준 원자량이 정의되어 있지 않다. 다른 인공 원소와 마찬가지로 안정 동위 원소가 존재하지 않으며, 핵종마다 반감기가 다르다. 현재까지 발견된 니호늄 동위 원소는 다음과 같다.
| 동위 원소 | 양성자 수 | 중성자 수 | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식 | 붕괴 생성물 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 278Nh | 113 | 165 | 278.17073(24)# | [] | α | 274Rg |
| 282Nh | 113 | 169 | 282.17577(43)# | α | 278Rg | |
| 283Nh | 113 | 170 | 283.17667(47)# | α | 279Rg | |
| 284Nh | 113 | 171 | 284.17884(57)# | α (≥99%) | 280Rg | |
| EC (≤1%) | 284Cn | |||||
| 285Nh | 113 | 172 | 285.18011(83)# | α (82%) | 281Rg | |
| SF (18%) | (various) | |||||
| 286Nh | 113 | 173 | 286.18246(63)# | 12(5) s | α | 282Rg |
| 287Nh | 113 | 174 | 287.18406(76)# | 5.5 s | α | 283Rg |
| 290Nh | 113 | 177 | 290.19143(50)# | [8(6) s] | α | 286Rg |
| SF (<50%) | (various) |
2.1. 질량수 278 ~ 287
| 동위 원소 | 양성자 수 | 중성자 수 | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식 | 붕괴 생성물 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 278Nh | 113 | 165 | 278.17073(24)# | α | 274Rg | |
| 282Nh | 113 | 169 | 282.17577(43)# | α | 278Rg | |
| 283Nh | 113 | 170 | 283.17667(47)# | α | 279Rg | |
| 284Nh | 113 | 171 | 284.17884(57)# | α (≥99%) | 280Rg | |
| EC (≤1%) | 284Cn | |||||
| 285Nh | 113 | 172 | 285.18011(83)# | α (82%) | 281Rg | |
| SF (18%) | (various) | |||||
| 286Nh | 113 | 173 | 286.18246(63)# | 12(5) s | α | 282Rg |
| 287Nh | 113 | 174 | 287.18406(76)# | 5.5 s | α | 283Rg |
3. 핵합성
니호늄은 입자 가속기에서 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성되는 초중원소이다. 니호늄의 대부분의 동위 원소는 이러한 방식으로 직접 합성할 수 있지만, 일부 무거운 동위 원소는 더 높은 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.
핵융합 반응은 관여된 에너지에 따라 "열"과 "냉"으로 구분된다. 열 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 투사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어 고에너지(약 40–50 MeV)에서 화합 핵이 생성되며, 이는 핵분열하거나 여러 (3~5) 중성자를 증발시킬 수 있다. 냉 핵융합 반응에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참조하면 된다.
3.1. 냉각 핵융합
초중원소인 니호늄과 같은 원소들은 입자 가속기에서 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성된다. 니호늄의 대부분의 동위 원소는 이러한 방식으로 직접 합성할 수 있지만, 일부 무거운 동위 원소는 더 높은 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.
관여된 에너지에 따라, 핵융합 반응은 "열"과 "냉"으로 구분된다. 열 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 투사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어, 고에너지(약 40–50 MeV)에서 화합 핵이 생성되며, 이는 핵분열하거나 여러 (3~5) 중성자를 증발시킬 수 있다. 냉 핵융합 반응에서 생성된 융합 핵은 비교적 낮은 여기 에너지(약 10–20 MeV)를 가지며, 이는 이러한 생성물이 핵분열 반응을 겪을 확률을 감소시킨다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각되면서, 단지 하나 또는 두 개의 중성자만 방출하면 되므로, 더 많은 중성자 과잉 생성물을 생성할 수 있다. 후자는 실온 조건에서 핵융합이 달성되었다고 주장하는 개념과는 구별된다(상온 핵융합 참조).
1998년 독일 다름슈타트에 있는 중이온 연구소(Gesellschaft für Schwerionenforschung)의 과학자들은 비스무트(209Bi)에 아연(70Zn)을 충돌시켜 니호늄을 합성하려 시도했으나 실패했다. 2003년에 실험을 반복했지만 성공하지 못했다. 2003년 말, 일본 이화학연구소(RIKEN) 팀은 효율적인 장치 GARIS를 사용하여 같은 반응을 시도하여, 2004년 278Nh의 단일 원자를 감지할 수 있었다. 2005년에는 두 번째 원자를, 2012년에는 세 번째 원자를 합성했다.
3.1.1. 가능한 표적-발사체 조합
Z=113인 화합물 핵을 형성할 수 있는 다양한 표적과 발사체의 조합은 아래 표와 같다.
3.2. 고온 핵융합
고온 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 투사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어, 고에너지(약 40–50 MeV)에서 화합 핵이 생성되며, 이는 핵분열하거나 여러 (3~5) 중성자를 증발시킬 수 있다.
2006년 6월, 러시아와 미국의 공동 연구팀은 가속된 48Ca 핵으로 237Np 표적을 충돌시켜 니호늄을 직접 합성했다. 이는 가벼운 동위 원소 281Nh와 282Nh 및 그 붕괴 생성물을 탐색하여, N = 162 및 N = 184에서 닫힌 중성자 껍질의 안정화 효과에 대한 통찰력을 제공하기 위한 연구였다.
:237Np + 48Ca → 282Nh + 3n영어
두 개의 282Nh 원자가 감지되었다.
3.3. 붕괴 생성물
다른 초중원소의 붕괴 과정에서 니호늄 동위 원소가 생성될 수 있다. 모스코븀(Mc), 테네신(Ts), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv) 등의 붕괴 생성물로 니호늄이 관찰되었다.
3.3.1. 붕괴 관찰 예시
니호늄은 모스코븀의 알파 붕괴 생성물로 관측되었다. 모스코븀은 현재 5개의 동위 원소가 알려져 있으며, 이들은 모두 알파 붕괴를 통해 질량수가 282에서 286 사이인 니호늄 핵이 된다. 모체 모스코븀 핵은 테네신의 붕괴 생성물일 수 있다. 또한 플레로븀의 붕괴 생성물(전자 포획을 통해)로 발생할 수 있으며, 모체 플레로븀 핵은 리버모륨의 붕괴 생성물일 수 있다. 예를 들어, 2010년 1월, 두브나 연구팀(JINR)은 테네신이 알파 붕괴를 거쳐 붕괴하는 과정에서 니호늄-286을 확인했다.
4. 이론적 계산
핵융합 반응에서 니호늄 동위 원소가 생성될 확률을 이론적으로 계산할 수 있다. 아래 표는 다양한 표적-발사체 조합에 대해 다양한 중성자 증발 채널에서 단면적 수율에 대한 계산 추정치를 제공한다. 예상 수율이 가장 높은 채널이 제공된다.
| 표적 | 발사체 | CN | 채널 (생성물) | σmax | 모델 |
|---|---|---|---|---|---|
| 209Bi | 70Zn | 279Nh | 1n (278Nh) | 30 fb | DNS |
| 238U | 45Sc | 283Nh | 3n (280Nh) | 20 fb | DNS |
| 237Np | 48Ca | 285Nh | 3n (282Nh) | 0.4 pb | DNS |
| 244Pu | 41K | 285Nh | 3n (282Nh) | 42.2 fb | DNS |
| 250Cm | 37Cl | 287Nh | 4n (283Nh) | 0.594 pb | DNS |
| 248Cm | 37Cl | 285Nh | 3n (282Nh) | 0.26 pb | DNS |
4.1. 증발 잔류 단면적
아래 표는 다양한 표적-발사체 조합에 대해 다양한 중성자 증발 채널에서 단면적 수율에 대한 계산 추정치를 제공한다. 예상 수율이 가장 높은 채널이 제공된다.
DNS = 이중핵 시스템; σ = 단면적