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마이트너륨

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목차

1. 개요

마이트너륨은 원자 번호 109번의 인공적인 화학 원소로, 기호는 Mt이다. 1982년 독일의 중이온 연구소에서 비스무트-209에 철-58 원자핵을 충돌시켜 처음 합성되었으며, 핵분열 연구에 기여한 리제 마이트너의 이름을 따서 명명되었다. 마이트너륨은 안정 동위원소가 존재하지 않으며, 다양한 방사성 동위원소가 알려져 있다. 마이트너륨의 화학적 성질은 아직 연구되지 않았으며, 백금족 금속과 유사할 것으로 예측된다.

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  • 마이트너륨 - 마이트너륨 동위 원소
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마이트너륨
마이트네리움 정보
영어 이름Meitnerium
일본어 이름마이트네리우무
발음 (영어)IPA: /ˌmaɪtˈnɪəriəm/
respell: myet-NEER-ee-əm
IPA: /ˌmaɪtˈnɜːriəm/
respell: myet-NUR-ee-əm
원자 번호109
기호Mt
주기7
족9
구역d
이전 원소하슘
다음 원소다름스타튬
위 원소이리듐
아래 원소불명
원자 질량[278]
전자 배치[Rn] 7s2 5f14 6d7
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 32, 32, 15, 2
상고체 (추정)
산화 상태4, 3
CAS 등록 번호54038-01-6
밀도 (추정)37.4 g/cm3
동위 원소
동위 원소질량수: 266
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 1.7 ms
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 11.00 MeV
모 원소: 보륨-262
모 원소 기호: Bh
질량수: 268
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 42 ms
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 10.26 MeV, 10.10 MeV
모 원소: 보륨-264
모 원소 기호: Bh
질량수: 270m
기호: Mt?
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 1.1 s
붕괴 방식: α
모 원소: 보륨-266
모 원소 기호: Bh
질량수: 270g
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 5 ms
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 10.03 MeV
모 원소: 보륨-266
모 원소 기호: Bh
질량수: 274
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 0.44 s
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 9.76 MeV
모 원소: 보륨-270
모 원소 기호: Bh
질량수: 275
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 9.7 ms
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 10.33 MeV
모 원소: 보륨-271
모 원소 기호: Bh
질량수: 276
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 0.72 s
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 9.71 MeV
모 원소: 보륨-272
모 원소 기호: Bh
질량수: 278
기호: Mt
존재비: 인공 방사성 동위 원소
반감기: 7.6 s
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 9.6 MeV
모 원소: 보륨-274
모 원소 기호: Bh
기타 정보
공유 반지름129 pm

2. 역사

핵분열 발견에 기여한 물리학자 리제 마이트너의 이름을 따서 명명되었다.


마이트너륨은 1982년 독일 다름슈타트의 중이온 연구소(GSI) 연구팀에 의해 처음 합성되었다. 연구팀은 비스무트-209 표적에 철-58 원자핵을 충돌시켜 마이트너륨-266 동위원소 원자 1개를 성공적으로 검출했다.[54][55] 이 발견은 이후 소비에트 연방 두브나의 핵물리학 공동연구소(JINR)에서도 확인되었다.[55]

원소 발견 이후 이름이 확정되기 전까지는 Unnilennium|운닐엔늄la(Une)이라는 임시 체계적 이름이 사용되었다.[3][56] 1992년, 발견자인 독일 GSI 연구팀은 오스트리아 출신의 저명한 여성 물리학자 리제 마이트너의 선구적인 업적을 기리기 위해 '마이트너륨'(Mt)이라는 이름을 제안했다.[10][59] 리제 마이트너는 오토 한과 함께 프로탁티늄을 공동 발견했으며,[5][6][7][8][9][58] 특히 핵분열 현상을 이론적으로 규명하는 데 결정적인 기여를 한 인물이다.[60][61][62][63]

당시 원자 번호 104번부터 109번까지의 초중원소 명명권을 두고 여러 연구 그룹 간에 소위 트랜스퍼뮴 논쟁이라 불리는 갈등이 있었으나, 마이트너륨이라는 이름은 유일하게 제안된 명칭이었기 때문에 별다른 논란 없이 받아들여졌다.[11][4][53] 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 1994년 이 이름을 권고하였고,[11] 1997년에 공식적으로 채택했다.[4][53] 이로써 마이트너륨은 신화 속 인물이 아닌 실존했던 여성 과학자의 이름을 딴 최초이자 유일한 원소가 되었다 (단, 퀴륨은 피에르 퀴리와 마리 퀴리 부부 모두를 기리는 이름이다).[12]

2. 1. 발견



마이트너륨은 1982년 8월 29일, 페터 아름브루스터(Peter Armbruster)와 고트프리트 뮌첸베르크(Gottfried Münzenberg)가 이끄는 독일 다름슈타트의 중이온 연구소(Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI) 연구팀에 의해 처음으로 합성되었다.[54] 연구팀은 비스무트-209(20983Bi) 표적에 철-58(5826Fe)의 가속된 원자핵을 충돌시켜 마이트너륨-266(266109Mt) 원자핵 1개를 검출했다.[55]

핵반응식은 다음과 같다.

:20983Bi + 5826Fe → 266109Mt + 10n

이 발견은 3년 후인 1985년, 당시 소비에트 연방의 두브나에 위치한 핵물리학 공동연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR)에서 확인되었다.[55]

2. 2. 명명



드미트리 멘델레예프가 제안한 미발견 원소 명명법에 따르면 마이트너륨은 '에카-이리듐'으로 불릴 수 있었다. 1979년, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 원소가 발견되고 그 발견이 확인되어 영구적인 이름이 정해지기 전까지 사용할 임시 이름으로 Unnilennium|운닐엔늄la(기호 Une)을 권고했다.[3][56] 이 임시 이름은 화학 교육 현장이나 교과서 등에서 사용되었지만, 실제 연구 현장의 과학자들은 대부분 '원소 109', 기호 E109 또는 (109), 혹은 단순히 109라고 불렀다.[57]

원자 번호 104번부터 109번까지의 원소 이름은 소위 트랜스퍼뮴 논쟁이라 불리는 명명 논쟁의 대상이었으나, '마이트너륨'이라는 이름은 유일하게 제안된 명칭이었기 때문에 특별한 논란 없이 받아들여졌다.[11][4][53] '마이트너륨'(Mt)이라는 이름은 1992년 9월, 독일 중이온연구소(GSI) 연구팀이 오스트리아 출신의 물리학자 리제 마이트너를 기리기 위해 제안했다.[10][59] 리제 마이트너는 오토 한과 함께 프로탁티늄을 공동으로 발견했으며,[5][6][7][8][9][58] 핵분열 현상을 발견하는 데 중요한 기여를 한 과학자이다.[60][61][62][63] IUPAC은 1994년에 이 이름을 권고했으며,[11] 1997년에 공식적으로 채택했다.[4][53] 이로써 마이트너륨은 신화 속 인물이 아닌 실존 여성 과학자의 이름을 딴 최초이자 유일한 원소가 되었다. (퀴륨은 피에르 퀴리와 마리 퀴리 부부 모두의 이름을 딴 것이다).[12]

3. 동위원소

마이트너륨에는 안정 동위원소 또는 자연 발생 동위원소가 없다. 여러 방사성 동위원소가 두 원자를 융합하거나 더 무거운 원소의 붕괴를 관찰하여 실험실에서 합성되었다. 알려진 동위원소들은 주로 알파 붕괴를 통해 붕괴하고 일부는 자발 핵분열을 한다.[13]

3. 1. 동위원소 개요

마이트너륨에는 안정 동위원소 또는 자연 발생 동위원소가 없다. 여러 방사성 동위원소가 두 원자를 융합하거나 더 무거운 원소의 붕괴를 관찰하여 실험실에서 합성되었다. 질량수가 266, 268, 270, 274~278인 8가지의 서로 다른 마이트너륨 동위원소가 보고되었으며, 그중 268Mt과 270Mt은 확인되지 않은 준안정 상태를 갖는다. 질량수가 282인 9번째 동위원소는 확인되지 않았다. 이들 대부분은 주로 알파 붕괴를 통해 붕괴하지만, 일부는 자발 핵분열을 한다.[13]

마이트너륨의 동위원소[14]
질량수기호반감기붕괴 방식발견 연도반응
266Mt2.0 msα 붕괴, 자발 핵분열1982209Bi(58Fe,n)
268Mt23 msα 붕괴1994272Rg(—,α)
270Mt800 msα 붕괴2004278Nh(—,2α)
274Mt640 ms [15]α 붕괴2006282Nh(—,2α)
275Mt20 ms [15]α 붕괴2003287Mc(—,3α)
276Mt620 ms [15]α 붕괴2003288Mc(—,3α)
277Mt5 ms [16]자발 핵분열2012293Ts(—,4α)
278Mt (미확인)4.5 sα 붕괴2010294Ts(—,4α)
282Mt (미확인)1.1 minα 붕괴1998290Fl(e−,νe2α)



모든 마이트너륨 동위원소는 매우 불안정하고 방사성이다. 일반적으로 무거운 동위원소가 가벼운 동위원소보다 더 안정적인 경향이 있다. 가장 안정적인 것으로 알려진 마이트너륨 동위원소인 278Mt는 가장 무거운 동위원소이기도 하며, 반감기는 4.5초이다. 확인되지 않은 282Mt는 더 무겁고 67초의 더 긴 반감기를 가지는 것으로 보인다. 다음으로 안정적인 동위원소는 270Mt으로 반감기는 0.8초이다. 276Mt와 274Mt 동위원소의 반감기는 각각 0.62초와 0.64초이다.[15]

3. 2. 안정성과 반감기

마이트너륨은 안정한 동위원소나 자연적으로 생성되는 동위원소를 갖지 않는다. 실험실에서 더 가벼운 원자핵을 융합하거나 더 무거운 원소의 붕괴를 관찰하여 여러 방사성 동위원소를 합성했다. 질량수가 266, 268, 270, 274부터 278까지인 8가지 동위원소가 보고되었으며, 이 중 268Mt와 270Mt는 확인되지 않은 준안정 상태를 가질 수 있다.[13] 질량수 282인 아홉 번째 동위원소는 아직 확인되지 않았다. 이들 동위원소 대부분은 주로 알파 붕괴를 통해 붕괴하지만, 일부는 자발 핵분열을 겪는다.[13]

모든 마이트너륨 동위원소는 매우 불안정하고 방사능이 높으며, 일반적으로 질량이 큰 동위원소일수록 더 안정적인 경향을 보인다. 알려진 가장 안정적인 동위원소는 278Mt로, 반감기는 4.5초이다. 아직 확인되지 않은 282Mt는 더 무거우며, 반감기가 67초로 더 길 것으로 추정된다. 그 다음으로 안정한 동위원소는 270Mt(반감기 800밀리초),[14] 274Mt(반감기 640밀리초), 276Mt(반감기 620밀리초) 순이다.[15] 그 외 동위원소들의 반감기는 1밀리초에서 20밀리초 사이로 매우 짧다.[58][14][15]

2012년, 293Ts의 최종 붕괴 생성물로 처음 합성된 277Mt 동위원소는 반감기 약 5밀리초로 자발 핵분열을 하는 것으로 관찰되었다.[16][64] 초기 데이터 분석에서는 이 핵분열이 277Hs에서 비롯되었을 가능성도 제기되었다. 277Hs 역시 수 밀리초의 반감기를 가지며, 붕괴 과정 중 검출되지 않은 전자 포획을 통해 생성될 수 있기 때문이다.[17][18][64][65] 그러나 이후 281Ds과 281Rg의 관측된 붕괴 에너지 및 277Mt의 짧은 반감기를 고려할 때, 이 가능성은 매우 낮은 것으로 판단되었지만, 할당에 대한 약간의 불확실성은 남아 있다.[18][65]

그럼에도 불구하고, 277Mt 및 277Hs의 짧은 반감기를 가진 핵분열은 중성자수 ''N'' = 168–170을 가진 초중원소의 불안정 영역 존재를 강력하게 시사한다. 이 영역은 변형된 껍질 폐쇄(N=162)와 구형 껍질 폐쇄(N=184) 사이의 핵분열 장벽 높이가 감소하는 특징을 가지며, 이러한 존재는 이론적 모델과도 일치한다.[17][64]

4. 성질

핵 특성을 제외하고, 마이트너륨(Meitnerium, Mt) 및 그 화합물의 물리적, 화학적 성질은 아직 직접 측정된 바 없다. 이는 원소 합성이 매우 제한적이고 비용이 많이 들며, 생성된 원자가 매우 빠르게 붕괴하기 때문이다.[62] 따라서 현재까지 알려진 마이트너륨의 성질은 대부분 이론적인 예측값에 의존한다.

마이트너륨은 주기율표에서 6d 블록의 7번째 전이 원소이자 9족 원소에 속한다.[62] 이론적인 계산에 따르면 이온화 에너지, 원자 반지름, 이온 반지름 등이 같은 족의 이리듐(Ir)과 유사할 것으로 예측되며[62], 전반적인 성질 역시 코발트(Co), 로듐(Rh), 이리듐과 비슷할 것으로 보인다. 귀금속의 성질을 가질 것으로 예상된다.[57] 화학적 성질에 대한 구체적인 예측 연구[57][66]도 이루어졌으나, 아직 실험적으로 검증되지는 못했다.

4. 1. 예측되는 성질

핵 특성을 제외하고, 마이트너륨(Meitnerium)이나 그 화합물의 어떤 성질도 아직 측정되지 않았다. 이는 생산이 극히 제한적이고 수백만 달러에 달하는[19] 비용이 들며, 마이트너륨과 그 모핵종이 매우 빠르게 붕괴하기 때문이다. 따라서 마이트너륨 금속의 성질을 포함한 여러 특성은 아직 알려지지 않았고 이론적인 예측만 가능하다. 구체적인 화학적 성질이나 물리적 성질 등은 동족 원소와의 비교 등을 통해 추정된다.[62]

4. 1. 1. 화학적 성질

마이트너륨(Meitnerium)은 6d 계열 전이 금속의 일곱 번째 원소이며, 주기율표 상 9족 원소에 속한다. 화학적으로는 같은 족의 코발트(Co), 로듐(Rh), 이리듐(Ir)과 유사한 성질을 보일 것으로 예상되며, 특히 바로 위 주기 동족체인 이리듐과 많은 유사점을 가질 것으로 예측된다. 마이트너륨의 이온화 에너지, 원자 반지름 및 이온 반지름은 계산 결과 이리듐과 비슷할 것으로 예측된다. 백금족 금속처럼 귀금속의 성질을 가질 것으로 예상된다.[8]

마이트너륨의 화학적 성질에 대한 예측은 다음과 같다.

  • 표준 전극 전위: Mt3+/Mt 짝의 표준 전극 전위는 0.8 V로 예측된다.
  • 산화 상태: 가장 안정적인 산화 상태는 +6, +3, +1일 것으로 예상되며, 이 중 수용액에서는 +3 상태가 가장 안정적일 것으로 보인다. 이는 최대 +6 산화 상태를 보이는 로듐 및 이리듐과 비교될 수 있으며, 이리듐의 가장 안정한 상태(+4, +3) 및 로듐의 가장 안정한 상태(+3)와 유사한 경향을 보인다.
  • 최고 산화 상태: 이리듐에서만 알려진 +9 산화 상태([IrO4]+)가 마이트너륨에서도 비플루오린화물(MtF9)이나 [MtO4]+ 양이온 형태로 존재할 가능성이 제기되었다. 다만, 해당 이리듐 화합물보다는 안정성이 낮을 것으로 예상된다.
  • 할로젠화물: 마이트너륨의 사할로젠화물은 이리듐의 사할로젠화물과 비슷한 안정성을 가질 것으로 예측되어, 안정적인 +4 산화 상태도 가능할 수 있다.


또한, 보륨(원소 107)부터 다름슈타튬(원소 110)까지의 원소들은 최대 산화 상태가 기체 상태에서는 안정할 수 있으나, 수용액에서는 불안정할 것이라는 예측도 있다.

현재까지 마이트너륨 및 그 화합물의 화학적 성질은 실험적으로 측정되지 않았는데, 이는 마이트너륨 동위원소들의 반감기가 매우 짧고 합성이 극히 제한적이며 비용이 많이 들기 때문이다. 따라서 현재 알려진 화학적 성질은 대부분 이론적인 예측에 기반한다.

4. 1. 2. 물리적 및 원자적 성질

마이트너륨(Mt) 및 그 화합물의 성질은 합성이 매우 제한적이고 비용이 많이 들며 매우 빠르게 붕괴하기 때문에 직접 측정된 값이 거의 없다. 따라서 금속 마이트너륨의 물리적 및 원자적 성질은 주로 이론적인 예측값에 의존한다.

마이트너륨은 상온에서 고체 상태로 존재하며, 같은 9족 원소의 가벼운 동족원소인 이리듐(Ir)과 마찬가지로 면심 입방 결정 구조(face-centered cubic)를 가질 것으로 예상된다.[33] 매우 무거운 금속일 것으로 예측되며, 밀도는 약 27~28 g/cm3 사이로 추정된다.[67][68] 이는 측정된 원소 중 가장 밀도가 높은 오스뮴(Os, 22.61 g/cm3)보다도 훨씬 높은 값으로, 알려진 118개 원소 중 가장 밀도가 클 것으로 예상되는 수치이다.[67][68] 또한, 마이트너륨은 상자성을 띨 것으로 예측된다.[69]

이론 계산에 따르면, 마이트너륨의 공유 결합 반지름은 이리듐보다 6pm에서 10pm 정도 더 클 것으로 예측된다.[20][70] 원자 반지름은 약 128pm일 것으로 예상된다. 이온화 에너지, 원자 반지름, 이온 반지름 등 다른 원자적 성질들도 이리듐과 유사할 것으로 계산된다.[62]

4. 2. 실험적 연구

마이트너륨(Meitnerium)은 주기율표에서 그 화학적 특성이 아직 연구되지 않은 최초의 원소이다.[21][26] 마이트너륨 동위원소의 짧은 반감기와 매우 소규모로 연구할 수 있는 휘발성 화합물의 수가 제한적이기 때문에 마이트너륨의 화학적 특성을 명확하게 규명하는 것은 아직까지 이루어지지 않았다. 소량으로 연구하기에 충분히 휘발성이 있을 가능성이 있는 몇 안 되는 마이트너륨 화합물 중 하나는 육불화마이트너륨(MtF6)이다. 이는 가벼운 동족체인 육불화이리듐(IrF6)이 60°C 이상에서 휘발성을 띠므로, 마이트너륨의 유사 화합물 또한 충분히 휘발성을 가질 수 있기 때문이다.[8] 팔불화물(MtF8) 또한 가능성이 있다.

초악티늄 원소(transactinide element)에 대한 화학 연구를 수행하려면 최소한 4개의 원자가 생성되어야 하고, 사용되는 동위원소의 반감기는 최소 1초 이상이어야 하며, 생산 속도는 주당 최소 1개 원자 이상이어야 한다.[8] 가장 안정적인 것으로 확인된 마이트너륨 동위원소인 278Mt의 반감기는 4.5초로 화학 연구를 수행하기에 충분히 길지만, 통계적으로 유의미한 결과를 얻으려면 마이트너륨 동위원소의 생산 속도를 높이고 몇 주 또는 몇 달 동안 실험을 수행해야 하는 어려움이 있다. 무거운 원소의 수율은 가벼운 원소보다 작을 것으로 예측되므로, 마이트너륨 동위원소를 분리하고 기체 상 및 용액 상 화학 반응을 자동화된 시스템으로 실험하기 위해 지속적인 분리 및 검출을 수행해야 한다. 보륨과 하슘에 사용된 몇 가지 분리 기술을 재사용할 수 있다. 그러나 마이트너륨의 실험 화학은 코페르니슘부터 리버모륨까지의 더 무거운 원소들만큼 많은 주목을 받지 못했다.[21][22]

로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)는 2002년에서 2003년 사이에 마이트너륨의 화학적 연구를 위해 동위원소 271Mt의 합성을 시도했다. 이는 변형된 원자핵에 대해 마법수(magic number)인 162개의 중성자를 가지고 있어 인근 동위원소보다 더 안정적일 것으로 예상되었기 때문이다. 그 반감기는 몇 초로 예상되어 화학적 연구에 충분했다.[23][31] 그러나 271Mt 원자는 검출되지 않았으며,[24] 현재 마이트너륨의 이 동위원소는 알려지지 않았다.[13]

초악티늄 원소의 화학적 특성을 결정하는 실험에서는 해당 초악티늄 원소의 화합물을 가벼운 동족체의 유사 화합물과 비교해야 한다. 예를 들어 하슘의 화학적 특성을 규명하는 과정에서 사산화하슘(HsO4)을 유사한 오스뮴 화합물인 사산화오스뮴(OsO4)과 비교했다.[25] 마이트너륨의 화학적 특성을 결정하기 위한 예비 단계로 GSI(Gesellschaft für Schwerionenforschung)는 로듐 화합물인 산화로듐(III)(Rh2O3)과 염화로듐(III)(RhCl3)의 승화(sublimation)를 시도했다. 그러나 산화물의 거시적인 양은 1000°C까지 승화되지 않았고, 염화물은 780°C까지 승화되지 않았으며, 그 경우에도 탄소 에어로졸 입자가 있어야만 했다. 이러한 온도는 마이트너륨에 이러한 절차를 사용하기에는 너무 높다. 초중원소 화학 연구에 사용되는 현재의 대부분의 방법은 500°C 이상에서는 작동하지 않기 때문이다.[26]

2014년 육탄산화시보기움(Sg(CO)6)의 성공적인 합성 이후,[27] 7족에서 9족까지의 안정적인 전이 금속을 사용한 연구가 수행되었는데, 이는 카보닐 형성을 통해 러더포듐부터 마이트너륨까지의 초기 6d 전이 금속의 화학적 특성을 더 자세히 조사할 수 있음을 시사한다.[28][29] 그러나 짧은 반감기와 어려운 생산 반응으로 인해 방사화학자들이 마이트너륨에 접근하기 어렵지만, 278Mt와 276Mt 동위원소는 화학 연구에 충분히 긴 수명을 가지고 있으며, 각각 294테네신(Ts)과 288모스코븀(Mc)의 붕괴 사슬에서 생성될 수 있다. 테네신 생산에는 드물고 짧은 반감기를 가진 버클륨 표적이 필요하므로 276Mt이 더 적합할 것이다.[30] 278니호늄(Nh)의 붕괴 사슬에서 관찰된 270Mt 동위원소는 반감기가 0.69초로 화학 연구에 충분히 긴 수명을 가질 수 있지만, 이 동위원소로 이어지는 직접적인 합성 경로와 더 정확한 붕괴 특성 측정이 필요하다.[31]

참조

[1] 논문 Observation of one correlated α-decay in the reaction 58Fe on 209Bi→267109
[2] 논문 Discovery of the transfermium elements. Part II: Introduction to discovery profiles. Part III: Discovery profiles of the transfermium elements
[3] 논문 Recommendations for the naming of elements of atomic numbers greater than 100 1979
[4] 논문 Names and symbols of transfermium elements (IUPAC Recommendations 1997) http://publications.[...] 2023-12-19
[5] 논문 Lise Meitner and Niels Bohr—a historical note
[6] 논문 Lise Meitner
[7] 논문 Distinguished Nuclear Pioneer—1973. Lise Meitner
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