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다름슈타튬 동위 원소

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목차

1. 개요

다름슈타튬 동위 원소는 자연에서 발견되지 않으며, 입자 가속기에서 핵융합 반응을 통해 인공적으로 합성된다. 현재까지 질량수가 267에서 281까지인 15개의 동위 원소가 발견되었으며, 일부는 핵 이성질체를 갖는다. 다름슈타튬은 초악티늄 원소로, 더 가벼운 원소를 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성된다. 다름슈타튬 동위 원소는 알파 붕괴를 통해 코페르니슘으로 붕괴되기도 하며, 이론적 계산을 통해 294Ds가 약 311년의 알파 붕괴 반감기를 가질 것으로 예측된다.

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다름슈타튬 동위 원소
개요
원소 기호Ds
핵종 정보
핵자수 (A)279
반감기0.2초
붕괴 방식알파 붕괴 (10%) → 하슘-275
자발적 핵분열 (90%)
핵자수 (A)281
반감기14초
붕괴 방식자발적 핵분열 (94%)
알파 붕괴 (6%) → 하슘-277

2. 동위 원소

다름슈타튬(Ds)은 자연에 존재하지 않으며, 실험실에서 핵융합 반응을 통해 만들어지는 초악티늄 원소이다. 입자 가속기에서 더 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 일으켜 생성된다. 대부분의 다름슈타튬 동위 원소는 이러한 방식으로 직접 합성되지만, 일부 무거운 동위 원소는 더 무거운 원소의 붕괴 생성물로만 관찰되기도 한다.[14]

핵융합 반응은 관여하는 에너지에 따라 "고온"과 "저온"으로 나뉜다. 고온 핵융합에서는 매우 가볍고 높은 에너지를 가진 입자가 악티늄족 원소와 같은 무거운 표적에 충돌하여 높은 에너지를 가진 복합 핵을 만든다. 이 복합 핵은 분열하거나 여러 개의 중성자를 방출한다.[15] 저온 핵융합에서는 생성된 핵이 비교적 낮은 에너지를 가지므로 분열 가능성이 낮아지고, 1~2개의 중성자만 방출하여 중성자가 더 많은 생성물을 만들 수 있다.[14]

다음 표는 ''Z''=110 (다름슈타튬) 복합 핵을 형성하는 데 사용될 수 있는 다양한 표적과 발사체의 조합, 그리고 실험 결과를 나타낸다.

표적발사체복합 핵시도 결과
208Pb62Ni270Ds
207Pb64Ni271Ds
208Pb64Ni272Ds
209Bi59Co268Ds
226Ra50Ti276Ds
232Th44Ca276Ds
232Th48Ca280Ds
233U40Ar273Ds[37]
235U40Ar275Ds[37]
238U40Ar278Ds
244Pu34S278Ds
244Pu36S280Ds
248Cm30Si278Ds
250Cm30Si280Ds


2. 1. 다름슈타튬 동위 원소 목록

기호Z (p)N (n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식붕괴 생성물핵 스핀들뜬 에너지267Ds[49]110157267.14377(15)#3(+6-2) µs9/2+#269Ds110159269.14475(3)230(110) µs
[179(+245-66) µs]α265Hs3/2+#270Ds110160270.14458(5)160(100) µs
[0.10(+14-4) ms]α266Hs0+270mDs1140(70) keV10(6) ms
[6.0(+82-22) ms]α266Hs(10)(-#)271Ds110161271.14595(10)#210(170) msα267Hs11/2-#271mDs29(29) keV1.3(5) msα267Hs9/2+#273Ds110163273.14856(14)#0.17(+17-6) msα269Hs13/2-#277Ds[50]110167277.15591(41)#5.7 msα273Hs11/2+#279Ds[51]110169279.16010(64)#0.18(+5-3) sSF (90%)다양rowspan="2"|α (10%)275Hs281Ds[52]110171281.16451(59)#9.6 sSF (94%)다양3/2+#α (6%)277Hs281mDs[53][52]colspan="3" |α277Hs


2. 2. 핵 이성질체

일부 다름슈타튬 동위 원소는 여러 개의 핵 이성질체를 갖는 것으로 알려져 있다.

;281Ds

:289Fl 또는 293Lv의 붕괴로 281Ds가 생성되면서 두 가지 붕괴 모드가 나타났다. 일반적인 모드는 11초의 반감기를 갖는 자발 핵분열이다. 희귀한 모드는 8.77 MeV의 에너지를 가진 알파 입자를 방출하는 알파 붕괴로, 약 3.7분의 반감기가 관찰되었다. 이 붕괴는 모핵종의 고유한 붕괴 경로와 관련이 있으며 이성체 준위에 할당되어야 한다. 반감기는 이를 이성체 상태에 할당해야 함을 시사하지만, 더 많은 연구가 필요하다.[34] 2016년에는 이 방사성 활동이 전자 포획과 두 번의 연속적인 알파 붕괴를 통해 290Fl의 증손녀인 282Mt 때문일 수 있다는 주장이 제기되었다.[38]

;271Ds

:271Ds의 붕괴 데이터는 두 개의 핵 이성체의 존재를 나타낸다. 첫 번째는 10.74 MeV와 10.69 MeV의 에너지를 가진 알파 입자를 방출하며 반감기는 1.63 ms이다. 다른 하나는 10.71 MeV의 에너지를 가진 알파 입자만 방출하며 반감기는 69 ms이다. 전자는 바닥 상태, 후자는 이성체 준위에 할당되었다. 알파 붕괴 에너지의 근접성은 이성체 준위가 주로 지연된 이성체 전이를 통해 바닥 상태로 붕괴되어 동일한 측정된 알파 에너지와 두 과정의 결합된 반감기를 초래할 수 있음을 나타낸다.[39]

;270Ds

:270Ds의 직접적인 생성은 두 개의 핵 이성체를 명확하게 식별했다. 바닥 상태는 11.03 MeV의 에너지를 가진 알파 입자를 방출하여 266Hs의 바닥 상태로 알파 방출을 통해 붕괴하며, 반감기는 0.10 ms이다. 준안정 상태는 12.15, 11.15, 10.95 MeV의 에너지를 가진 알파 입자를 방출하여 알파 방출을 통해 붕괴하며, 반감기는 6 ms이다. 준안정 상태가 12.15 MeV의 에너지를 가진 알파 입자를 방출할 때, 266Hs의 바닥 상태로 붕괴되어 1.12 MeV의 초과 에너지를 갖는다는 것을 나타낸다.[23]

3. 핵합성

다름슈타튬은 입자 가속기에서 더 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성된다. 다름슈타튬의 대부분의 동위 원소는 이러한 방식으로 직접 합성할 수 있지만, 더 무거운 일부 동위 원소는 더 높은 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.[14]

핵융합 반응은 관여하는 에너지에 따라 "고온"과 "저온"으로 나뉜다. 고온 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 높은 에너지의 발사체가 매우 무거운 표적(악티늄족 원소)을 향해 가속되어, 높은 여기 에너지(~40–50 MeV)를 가진 복합 핵을 생성하며, 이 핵은 분열하거나 여러 개(3~5개)의 중성자를 증발시킬 수 있다.[15] 저온 핵융합 반응에서 생성된 융합 핵은 비교적 낮은 여기 에너지(~10–20 MeV)를 가지며, 이는 이러한 생성물이 분열 반응을 겪을 확률을 감소시킨다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각되면서, 단지 한두 개의 중성자만을 방출해야 하므로, 더 많은 중성자 과잉 생성물을 생성할 수 있게 된다.[14]

다음 표는 ''Z'' = 110인 복합 핵을 형성하는 데 사용할 수 있는 다양한 표적과 발사체의 조합을 나타낸다.

표적발사체복합 핵시도 결과
208Pb62Ni270Ds
207Pb64Ni271Ds
208Pb64Ni272Ds
209Bi59Co268Ds
226Ra50Ti276Ds
232Th44Ca276Ds
232Th48Ca280Ds
233U40Ar273Ds[37]
235U40Ar275Ds[37]
238U40Ar278Ds
244Pu34S278Ds
244Pu36S280Ds
248Cm30Si278Ds
250Cm30Si280Ds

3. 1. 붕괴 생성물

다름슈타튬 동위 원소는 코페르니슘(Cn), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv), 뢴트게늄(Rg), 니호늄(Nh), 모스코븀(Mc)의 붕괴 생성물로도 관찰된다.[35]

코페르니슘은 현재 7개의 알려진 동위 원소를 가지고 있으며, 그 중 5개(질량수 273, 277, 279–281)는 알파 붕괴를 통해 다름슈타튬으로 붕괴된다. 이 다름슈타튬 동위 원소들은 273Ds를 제외하고는 모두 코페르니슘의 붕괴를 통해서만 생성되었다. 코페르니슘 핵은 플레로븀 또는 리버모륨의 붕괴 생성물일 수 있다.

뢴트게늄 핵의 전자 포획 붕괴로도 다름슈타튬이 생성될 수 있으며, 이 뢴트게늄 핵은 니호늄과 모스코븀의 딸핵종이다. 예를 들어, 2004년 두브나 팀(핵공동연구소, JINR)은 리버모륨-293의 붕괴 과정에서 다음과 같은 알파 붕괴 연쇄를 통해 다름슈타튬-281을 확인했다:[34]

:293Lv → 289Fl + 4He

:289Fl → 285Cn + 4He

:285Cn → 281Ds + 4He

붕괴를 통해 관찰된 다름슈타튬 동위 원소 목록[38]
붕괴 전 핵종관찰된 다름슈타튬 동위 원소
277Cn273Ds[31]
285Fl, 281Cn277Ds[32]
291Lv, 287Fl, 283Cn279Ds[33]
288Fl, 284Cn280Ds
288Mc, 284Nh, 280Rg ?280Ds ?
293Lv, 289Fl, 285Cn281Ds[34]
290Fl, 286Cn ?282Ds ?


4. 핵 특성

양자 터널링 모델을 사용한 이론적 계산으로 실험에서 나타난 알파 붕괴 반감기 데이터를 재현할 수 있다.[41][42] 또한 294Ds 동위 원소는 약 311년의 알파 붕괴 반감기를 가질 것으로 예측된다.[43][44]

참조

[1] 문서 Unconfirmed isotope
[2] 문서 Order of ground state and isomer is uncertain.
[3] 논문 New isotope 276Ds and its decay products 272Hs and 268Sg from the 232Th + 48Ca reaction 2023
[4] 문서 Not directly synthesized, occurs in [[decay chain]] of 285Fl
[5] 문서 Not directly synthesized, occurs as [[decay product]] of 283Cn
[6] 논문 Investigation of 48Ca-induced reactions with 242Pu and 238U targets at the JINR Superheavy Element Factory
[7] 문서 Not directly synthesized, occurs in decay chain of 288Fl
[8] 논문 Spectroscopy along Flerovium Decay Chains: Discovery of 280Ds and an Excited State in 282Cn
[9] 논문 Recoil-α-fission and recoil-α–α-fission events observed in the reaction 48Ca + 243Am
[10] 논문 Study of the Reaction 48Ca + 248Cm → 296Lv* at RIKEN-GARIS 2017
[11] 문서 Not directly synthesized, occurs in decay chain of 289Fl
[12] 문서 Not directly synthesized, occurs in decay chain of 293Lv, unconfirmed
[13] 문서 Not directly synthesized, occurs in decay chain of 290Fl, unconfirmed
[14] 서적 Creating superheavy elements
[15] 논문 Discovery of the element with atomic number 112 (IUPAC Technical Report)
[16] 논문 Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium Elsevier
[17] 논문 Production and decay of269110
[18] 논문 Confirmation of production of element 110 by the 208Pb(64Ni,n) reaction https://zenodo.org/r[...]
[19] 웹사이트 Confirmation of production of element 110 by the 208Pb(64Ni,n) reaction http://repositories.[...] LBNL repositories 2002-12-08
[20] 논문 Development of an Odd-Z-Projectile Reaction for Heavy Element Synthesis: 208Pb(64Ni,n)271Ds and 208Pb(65Cu,n)272111 http://repositories.[...]
[21] 논문 Production and decay of the isotope 271Ds (Z = 110)
[22] 뉴스 At Lawrence Berkeley, Physicists Say a Colleague Took Them for a Ride https://www.nytimes.[...] 2002-10-15
[23] 논문 The new isotope 270110 and its decay products 266Hs and 262Sg http://www.dnp.fmph.[...]
[24] 논문 Evidence for the possible synthesis of element 110 produced by the 59Co+209Bi reaction
[25] 서적 On Beyond Uranium https://archive.org/[...] Taylor & Francis 2002
[26] 논문 α decay of 273110: Shell closure at N=162
[27] 간행물 Flerov lab annual report 2004 http://www1.jinr.ru/[...]
[28] 서적 Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements Oxford University Press
[29] 뉴스 New darmstadtium isotope discovered at Superheavy Element Factory http://www.jinr.ru/p[...] Joint Institute for Nuclear Research 2023-03-29
[30] 논문 Synthesis and decay properties of isotopes of element 110: 273Ds and 275Ds ~ 2024-05-06
[31] 논문 The new element 112
[32] 뉴스 Six New Isotopes of the Superheavy Elements Discovered: Moving Closer to Understanding the Island of Stability http://newscenter.lb[...] Berkeley Lab 2011-04-25
[33] 논문 Synthesis of nuclei of the superheavy element 114 in reactions induced by 48Ca
[34] 논문 Measurements of cross sections for the fusion-evaporation reactions 244Pu(48Ca,xn)292−x114 and 245Cm(48Ca,xn)293−x116
[35] 웹사이트 Interactive Chart of Nuclides http://www.nndc.bnl.[...] Brookhaven National Laboratory 2008-06-06
[36] 문서 Oganesson
[37] 논문 Reactions of 40Ar with 233U, 235U, and 238U at the barrier
[38] 논문 Review of even element super-heavy nuclei and search for element 120 https://zenodo.org/r[...] 2016
[39] 논문 New elements - approaching
[40] 간행물 Flerov lab annual report 2004 http://www1.jinr.ru/[...]
[41] 논문 α decay half-lives of new superheavy elements
[42] 논문 Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements
[43] 논문 Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability
[44] 논문 Nuclear half-lives for α -radioactivity of elements with 100 ≤ Z ≤ 130
[45] 논문 Formation of superheavy nuclei in cold fusion reactions
[46] 논문 Production of heavy and superheavy nuclei in massive fusion reactions
[47] 논문 Production of new superheavy Z=108-114 nuclei with 238U, 244Pu and 248,250Cm targets 2009
[48] 문서 약자: SF: 자발 핵분열
[49] 문서 확인되지 않은 동위 원소
[50] 문서 직접 합성되지 않고 285플레로븀Fl의 붕괴 계열 상에 존재한다.
[51] 문서 직접 합성되지 않고 283코페르니슘Cn의 붕괴 생성물로 존재한다.
[52] 문서 직접 합성되지 않고 289Fl의 붕괴 계열 상에 존재한다.
[53] 문서 확인되지 않은 이성질핵


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