보륨 동위 원소

3. 핵합성

초우라늄 원소인 보륨은 입자 가속기에서 가벼운 원자핵을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성한다. 보륨의 대부분의 동위 원소는 이러한 방식으로 직접 합성될 수 있지만, 일부 더 무거운 동위 원소는 더 무거운 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.^[16]

핵융합 반응은 관련된 에너지에 따라 "열" 핵융합과 "냉" 핵융합으로 구분된다. 열 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 높은 에너지를 가진 투사체가 악티늄족 원소와 같이 매우 무거운 표적을 향해 가속되어 높은 여기 에너지(약 40–50 MeV)를 갖는 복합 핵을 생성한다. 이 복합 핵은 핵분열을 일으키거나 여러 개(3~5개)의 중성자를 방출할 수 있다.^[17] 반면, 냉 핵융합 반응에서 생성된 융합 핵은 비교적 낮은 여기 에너지(약 10–20 MeV)를 가지므로 핵분열을 일으킬 확률이 낮다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각될 때, 하나 또는 두 개의 중성자만 방출하면 되기 때문에 중성자가 더 많은 생성물을 만들 수 있다.^[16] 이는 실온에서 핵융합이 달성되었다고 주장하는 상온 핵융합과는 다른 개념이다.^[18]

3. 1. 냉각 핵융합

1976년 두브나에 위치한 공동원자핵연구소 과학자들은 냉각 핵융합 반응을 사용하여 보륨 합성을 처음 시도하였다. 1981년 GSI팀에 의해 하슘이 처음으로 성공적으로 합성되기 전의 일이다. 그들은 두 개의 자발 핵분열 활동을 감지했는데, 하나는 반감기가 1–2 ms이고 다른 하나는 반감기가 5 s였다. 다른 냉각 핵융합 반응의 결과에 기반하여, 그들은 각각 ²⁶¹Bh와 ²⁵⁷Db에 의한 것이라고 결론지었다. 그러나, 나중에 증거에 따르면 ²⁶¹Bh에 대한 SF 분기가 훨씬 낮아져 이 할당에 대한 신뢰도가 감소했다. 둠늄 활동의 할당은 나중에 ²⁵⁸Db로 변경되었으며, 보륨의 붕괴가 놓쳤다고 추정했다. 2 ms SF 활동은 33% EC 분기에서 비롯된 ²⁵⁸Rf에 할당되었다. GSI팀은 1981년 그들의 발견 실험에서 이 반응을 연구했다. ²⁶²Bh의 5개의 원자가 유전적 모자식 붕괴의 상관 관계 방법을 사용하여 감지되었다.^[19] 1987년, 두브나의 내부 보고서에 따르면 그 팀은 ²⁶¹Bh의 자발 핵분열을 직접 감지할 수 있었다. GSI팀은 1989년에 이 반응을 추가로 연구하여 1n 및 2n 여기 함수를 측정하는 동안 새로운 동위원소 ²⁶¹Bh를 발견했지만 ²⁶¹Bh에 대한 SF 분기를 감지할 수 없었다.^[20] 그들은 2003년에 새로 개발된 불화 비스무트(III) (BiF₃) 표적을 사용하여 연구를 계속했으며, 이는 ²⁶²Bh와 딸 핵종 ²⁵⁸Db에 대한 붕괴 데이터에 대한 추가 데이터를 제공하는 데 사용되었다. 1n 여기 함수는 이전 데이터의 정확성에 대한 의심이 제기된 후 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL) 팀에 의해 2005년에 재측정되었다. 그들은 ²⁶²Bh의 18개의 원자와 ²⁶¹Bh의 3개의 원자를 관찰했으며 ²⁶²Bh의 두 이성질체를 확인했다.^[21]

2007년, LBNL의 팀은 가장 가벼운 보륨 동위원소 ²⁶⁰Bh를 찾기 위해 크롬-52 발사체를 사용하여 유사한 반응을 처음으로 연구했다.

:²⁰⁹Bi + ⁵²Cr → ²⁶⁰Bh + n

그 팀은 ²⁶⁰Bh의 8개의 원자를 성공적으로 감지했으며, 10.16 MeV의 에너지를 가진 알파 입자를 방출하며 ²⁵⁶Db로 알파 붕괴했다. 알파 붕괴 에너지는 N=152 닫힌 껍질의 지속적인 안정화 효과를 나타낸다.^[22]

두브나의 팀은 또한 1976년에 새로운 원소에 대한 그들의 새롭게 확립된 냉각 핵융합 접근 방식의 일환으로 납-208 표적과 망가니즈-55 발사체 간의 반응을 연구했다.

:²⁰⁸Pb + ⁵⁵Mn → ²⁶²Bh + n

그들은 비스무트-209와 크롬-54 간의 반응에서 관찰된 것과 동일한 자발 핵분열 활동을 관찰했으며, 이를 다시 ²⁶¹Bh와 ²⁵⁷Db에 할당했다. 나중에 증거에 따르면 이들은 ²⁵⁸Db와 ²⁵⁸Rf로 재할당되어야 한다. 1983년, 그들은 새로운 기술을 사용하여 실험을 반복했다: 화학적으로 분리된 붕괴 생성물에서 알파 붕괴를 측정하는 것이다. 팀은 ²⁶²Bh의 붕괴 생성물에서 알파 붕괴를 감지할 수 있었으며, 보륨 핵의 형성에 대한 일부 증거를 제공했다. 이 반응은 나중에 LBNL의 팀에 의해 현대적인 기술을 사용하여 자세히 연구되었다. 2005년 그들은 ²⁶²Bh의 33개 붕괴와 ²⁶¹Bh의 2개 원자를 측정하여, 1개의 중성자를 방출하는 반응에 대한 여기 함수와 두 ²⁶²Bh 이성질체의 일부 분광 데이터를 제공했다. 2개의 중성자를 방출하는 반응에 대한 여기 함수는 2006년 반응 반복에서 추가로 연구되었다. 팀은 1개의 중성자를 방출하는 반응이 ²⁰⁹Bi 표적과의 해당 반응보다 더 높은 반응 단면적을 가졌으며, 이는 예상과 반대된다는 것을 발견했다. 그 이유를 이해하기 위해 추가 연구가 필요하다.^[23][24]

다음 표는 보륨 동위 원소를 직접 생성하는 차가운 핵융합 반응에 대한 단면적과 여기 에너지를 제공한다. 굵은 글씨로 표시된 데이터는 여기 함수 측정에서 파생된 최대값을 나타낸다.

3. 2. 열핵융합

2006년, 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)는 우라늄-238 표적과 인-31 투사체의 반응을 처음으로 연구했다. 이는 우라늄-238 표적을 사용한 융합 반응에 대한 체계적인 연구의 일환이었다.

: ²³⁸U + ³¹P → ²⁶⁴Bh + 5 n

결과는 아직 발표되지 않았지만, 예비 결과에 따르면 자발 핵분열의 관측이 나타났으며, 이는 아마도 ²⁶⁴Bh에서 기인한 것으로 보인다.^[25]

2004년, 현대 물리학 연구소(IMP) (중국 란저우)의 연구팀은 새로운 동위원소 ²⁶⁵Bh을 합성하고 ²⁶⁶Bh에 대한 더 많은 데이터를 수집하기 위해 아메리슘-243 표적과 가속된 마그네슘-26 핵 간의 핵반응을 연구했다.

: ²⁴³Am + ²⁶Mg → ^269-xBh + x n (x = 3, 4, or 5)

두 차례의 실험에서, 연구팀은 3개, 4개, 5개의 중성자를 방출하는 반응에 대한 부분적인 여기 함수를 측정했다.^[26]

큐륨-248 표적과 가속된 나트륨-23 핵 간의 반응은 2008년, 일본의 이화학연구소(RIKEN)의 연구팀에 의해 처음 연구되었다. 이 연구는 ²⁶⁶Bh의 붕괴 특성을 연구하기 위한 것으로, 이는 그들이 주장한 니호늄의 붕괴 연쇄에서 나타나는 붕괴 생성물이다.^[27]

: ²⁴⁸Cm + ²³Na → ^271-xBh + x n (x = 4 or 5)²⁶⁶Bh의 9.05–9.23 MeV의 에너지를 갖는 알파 입자 방출에 의한 붕괴는 2010년에 추가로 확인되었다.^[28]

열융합 경로를 통해 보륨을 합성하려는 최초의 시도는 1979년, 두브나의 연구팀에 의해 수행되었다. 이들은 가속된 네온-22 핵과 버클륨-249 표적 간의 반응을 이용했다.

: ²⁴⁹Bk + ²²Ne → ^271-xBh + x n (x = 4 or 5)

이 반응은 1983년에 반복되었다. 두 경우 모두, 그들은 보륨 핵으로부터의 자발 핵분열을 감지할 수 없었다. 최근 보륨에 대한 열융합 경로가 재조사되어, 보륨의 최초의 화학 연구를 가능하게 할 더 긴 수명의, 중성자가 풍부한 동위원소를 합성할 수 있게 되었다. 1999년, LBNL의 연구팀은 장수명 ²⁶⁷Bh (5개 원자)와 ²⁶⁶Bh (1개 원자)의 발견을 주장했다.^[29] 이후, 이 두 핵종은 모두 확인되었다.^[30] 스위스 베른의 파울 셔러 연구소(PSI)의 연구팀은 보륨의 화학에 대한 최초의 결정적인 연구에서 6개의 ²⁶⁷Bh 원자를 합성했다.

다음 표는 보륨 동위 원소를 직접 생성하는 열핵융합 반응의 단면적과 여기 에너지를 제공한다. 굵게 표시된 데이터는 여기 함수 측정에서 파생된 최댓값을 나타냅니다. +는 관찰된 출구 채널을 나타냅니다.

3. 3. 붕괴 생성물

참조

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