다름슈타튬 동위 원소
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.
| 원소 기호 | Ds |
|---|
| 핵자수 (A) | 279 |
|---|---|
| 반감기 | 0.2초 |
| 붕괴 방식 | 알파 붕괴 (10%) → 하슘-275 자발적 핵분열 (90%) |
| 핵자수 (A) | 281 |
| 반감기 | 14초 |
| 붕괴 방식 | 자발적 핵분열 (94%) 알파 붕괴 (6%) → 하슘-277 |
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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. 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.
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. 저온 핵융합에서는 생성된 핵이 비교적 낮은 에너지를 가지므로 분열 가능성이 낮아지고, 1~2개의 중성자만 방출하여 중성자가 더 많은 생성물을 만들 수 있다.
다음 표는 Z=110 (다름슈타튬) 복합 핵을 형성하는 데 사용될 수 있는 다양한 표적과 발사체의 조합, 그리고 실험 결과를 나타낸다.
2.1. 다름슈타튬 동위 원소 목록
| 핵종 기호 | Z (p) | N (n) | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식 | 붕괴 생성물 | 핵 스핀 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 들뜬 에너지 | |||||||
| 267Ds | 110 | 157 | 267.14377(15)# | 3(+6-2) µs | 9/2+# | ||
| 269Ds | 110 | 159 | 269.14475(3) | 230(110) µs [179(+245-66) µs] | α | 265Hs | 3/2+# |
| 270Ds | 110 | 160 | 270.14458(5) | 160(100) µs [0.10(+14-4) ms] | α | 266Hs | 0+ |
| 270mDs | 1140(70) keV | 10(6) ms [6.0(+82-22) ms] | α | 266Hs | (10)(-#) | ||
| 271Ds | 110 | 161 | 271.14595(10)# | 210(170) ms | α | 267Hs | 11/2-# |
| 271mDs | 29(29) keV | 1.3(5) ms | α | 267Hs | 9/2+# | ||
| 273Ds | 110 | 163 | 273.14856(14)# | 0.17(+17-6) ms | α | 269Hs | 13/2-# |
| 277Ds | 110 | 167 | 277.15591(41)# | 5.7 ms | α | 273Hs | 11/2+# |
| 279Ds | 110 | 169 | 279.16010(64)# | 0.18(+5-3) s | SF (90%) | 다양 | |
| α (10%) | 275Hs | ||||||
| 281Ds | 110 | 171 | 281.16451(59)# | 9.6 s | SF (94%) | 다양 | 3/2+# |
| α (6%) | 277Hs | ||||||
| 281mDs | α | 277Hs | |||||
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. 2016년에는 이 방사성 활동이 전자 포획과 두 번의 연속적인 알파 붕괴를 통해 290Fl의 증손녀인 282Mt 때문일 수 있다는 주장이 제기되었다.
;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.
;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.
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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.
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. 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.
다음 표는 Z = 110인 복합 핵을 형성하는 데 사용할 수 있는 다양한 표적과 발사체의 조합을 나타낸다.
* 1985년, 중이온 연구소(GSI) 과학자들은 납-208에 니켈-64를 충돌시키는 실험을 했으나, 다름슈타튬 원자는 확인되지 않았다.
* 1994년, GSI 팀은 설비 개선 후 9개의 271Ds 원자를 성공적으로 검출했다. 이 반응은 2000년 GSI (4개 원자), 2000년 및 2004년 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL) (총 9개 원자), 그리고 2002년 이화학연구소(RIKEN) (14개 원자)에서 성공적으로 재현되었다. 같은 해, GSI 팀은 니켈-62를 사용한 반응을 통해 3개의 269Ds 원자를 검출했다.
* 2000년, GSI 팀은 납-207 표적을 사용한 반응을 통해 8개의 270Ds 원자를 합성하는 데 성공했다.
* 1986년, 러시아 두브나의 공동원자핵연구소(JINR) 팀은 비스무트-209와 코발트-59를 이용한 반응을 연구했으나, 다름슈타튬 원자를 검출하지 못했다. 1995년, LBNL 팀은 이 반응을 통해 267Ds의 단일 원자를 검출했다고 보고했으나, 추가 연구가 필요하다.
* 1980년대 후반, GSI 연구팀은 우라늄 동위 원소(233U, 235U, 238U) 표적에 아르곤-40 이온을 충돌시켜 원소 110을 합성하려 시도했으나, 원자는 감지되지 않았다.
* 1994년, 두브나의 연구팀은 플루토늄-244 표적과 황-34 이온을 반응시켜 273Ds 단일 원자를 감지했다.
* 2004년, 두브나의 플레로프 핵반응 연구소(FLNR)에서 토륨-232와 칼슘-48을 반응시켜 화합물 핵 280Ds의 핵분열 특성을 연구하는 실험이 수행되었으나, 다름슈타튬 원자는 얻어지지 않았다.
* 2022년, FLNR에서 232Th+48Ca 반응이 다시 시도되어 276Ds 원자 7개가 보고되었다.
* 2023년, JINR 연구팀은 이 반응을 더 높은 빔 에너지에서 반복하여 275Ds도 발견했다.
* FLNR은 또한 238U+40Ar 반응에서 273Ds를 성공적으로 합성했다.
3.1. 붕괴 생성물
다름슈타튬 동위 원소는 코페르니슘(Cn), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv), 뢴트게늄(Rg), 니호늄(Nh), 모스코븀(Mc)의 붕괴 생성물로도 관찰된다.
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:
:293Lv → 289Fl + 4He
:289Fl → 285Cn + 4He
:285Cn → 281Ds + 4He