아메리슘

1. 개요

아메리슘(Americium)은 1944년 합성된 방사성 금속 원소로, 주기율표에서 유로퓸 아래에 위치하며 기호는 Am이다. 플루토늄의 중성자 포획과 베타 붕괴를 통해 생성되며, 주로 ²⁴¹Am과 ²⁴³Am 동위원소가 사용된다. 아메리슘은 연기 감지기, 중성자원, 두께 측정기 등 다양한 용도로 활용되며, ^242mAm은 핵무기나 핵 배터리 연료로 사용될 가능성이 있다. 자연적으로는 거의 존재하지 않으며, 핵실험, 핵 사고, 핵연료 재처리 시설 주변에서 발견된다. 아메리슘은 방사능 독성이 강해 특별한 안전 절차를 거쳐 취급해야 한다.

2. 역사

1944년 늦가을, 캘리포니아 대학교 버클리의 글렌 T. 시보그, 레온 O. 모건, 랄프 A. 제임스, 앨버트 기오르소는 60인치 사이클로트론을 사용하여 플루토늄-239에 중성자를 충돌시켜 아메리슘을 처음으로 합성하고 분리했다. 이 원소는 시카고 대학교의 야금 연구소(현 아르곤 국립 연구소)에서 화학적으로 확인되었다. 넵투늄, 플루토늄, 퀴륨에 이어 네 번째로 발견된 초우라늄 원소였다.

당시 주기율표는 시보그에 의해 란타넘족 원소 아래 악티늄족 계열이 포함된 현재와 같은 배치로 재구성되었고, 아메리슘은 란타넘족 원소인 유로퓸 바로 아래에 위치하게 되었다. 이때 아메리슘이 아메리카 대륙의 이름을 따서 명명되었다.

새로운 원소는 복잡한 다단계 공정을 통해 산화물에서 분리되었다. 먼저 질산 플루토늄-239(²³⁹PuNO₃) 용액을 약 0.5 cm² 면적의 백금박에 코팅한 뒤, 용액을 증발시켜 이산화 플루토늄(PuO₂)으로 전환시켰다. 사이클로트론을 이용한 조사 후, 백금박의 코팅을 질산으로 녹인 후 진한 암모니아 수용액을 사용하여 수산화물로 침전시켰다. 그 뒤 잔류물을 과염소산에 용해시켰다. 추가 분리는 이온 교환에 의해 수행되었으며, 퀴륨의 특정 동위원소를 생성했다. 퀴륨과 아메리슘을 분리하는 것은 매우 힘든 일이었기에 버클리 그룹에서는 처음에 아메리슘을 그리스어로 ‘아수라장’을 뜻하는 ‘pandaimonion’를 따서 판데모늄(pandemonium)으로, 그리고 퀴륨은 라틴어로 ‘미친’을 뜻하는 ‘deliriare’를 따서 델리리움(delirium)으로 불렸다.

초기 실험에서는 ²⁴¹Am, ²⁴²Am, ²³⁹Am, ²³⁸Am의 네 가지 아메리슘 동위원소가 생성되었다. ²⁴¹Am은 플루토늄이 중성자 2개를 흡수한 뒤 직접적으로 얻어졌다. 이는 알파 입자를 방출하며 ²³⁷Np로 붕괴되었다. 이 붕괴는 반감기가 처음에는 510±20년으로 결정되었으나, 이후 432.2년으로 수정되었다.

:$^\{239\}\_\{94\}\backslash mathrm\{Pu\}\backslash \; \backslash xrightarrow[]\{(n,\backslash gamma)\}\backslash \; ^\{240\}\_\{94\}\backslash mathrm\{Pu\}\backslash \; \backslash xrightarrow[]\{(n,\backslash gamma)\}\backslash \; ^\{241\}\_\{94\}\backslash mathrm\{Pu\}\backslash \; \backslash xrightarrow[14.35\backslash \; \backslash mathrm\{yr\}]\{\backslash beta^\{-\}\}\backslash \; ^\{241\}\_\{95\}\backslash mathrm\{Am\}\backslash \; \backslash Biggl(\backslash xrightarrow[432.2\backslash \; \backslash mathrm\{yr\}]\{\backslash alpha\}\backslash \; ^\{237\}\_\{93\}\backslash mathrm\{Np\}\backslash Biggr)$

: 시간은 반감기를 나타낸다.

두 번째 동위원소인 ²⁴²Am은 이미 생성된 동위원소인 ²⁴¹Am을 중성자로 포격하여 생성하였다. 베타 붕괴가 빠르게 진행되며 ²⁴²Am은 이전에 발견된 퀴륨의 동위원소인 ²⁴²Cm으로 전환된다. 이 붕괴의 반감기는 처음에 17시간으로 설정되었으며, 이는 현재 사용하는 값인 16.02시간에 비슷했다.

:$^\{241\}\_\{95\}\backslash mathrm\{Am\}\; \backslash xrightarrow[]\{(n,\backslash gamma)\}\backslash \; ^\{242\}\_\{95\}\backslash mathrm\{Am\}\backslash \; \backslash Biggl(\backslash xrightarrow[16.02\backslash \; \backslash mathrm\{yr\}]\{\backslash beta^\{-\}\}\backslash \; ^\{242\}\_\{96\}\backslash mathrm\{Cm\}\backslash Biggr)$
:

1944년에 이루어진 아메리슘과 퀴륨의 발견은 제2차 세계 대전 때 수행된 미국의 원자탄 개발 연구인 맨해튼 계획과 밀접하게 연관되어 있어서 비밀로 숨겨져 있었으며, 종전 후인 1945년에 비밀이 해제되었다. 시보그는 이 원소들의 발견을 미국의 어린이 라디오 퀴즈 쇼 Quiz Kids에서 처음으로 공개하였으며, 5일 후인 1945년 11월 11일에 미국화학회 모임에서 공식적으로 발표하였다. 아메리슘 동위원소 ²⁴¹Am 및 ²⁴²Am이 발견된 후 이것들의 생산 및 화합물은 시보그만을 발명자로 등록하여 특허를 받았다. 초기 아메리슘 샘플은 매우 적어서 눈으로 보기 어려웠고, 이가 방출하는 방사능으로 식별할 수 있었다. 1951년에는 1100℃, 고진공에서 AmF₃ 를 바륨 금속으로 환원시켜 금속 아메리슘을 처음 얻었는데, 그 양은 40~200밀리그램 정도이었다.

3. 발생

아메리슘은 자연적으로는 거의 존재하지 않으며, 주로 인공적으로 만들어진다. 지구 형성 시기에 존재했던 원시 아메리슘은 긴 반감기로 인해 모두 붕괴되어 사라졌다.

현존하는 아메리슘은 1945년부터 1980년 사이에 실시된 대기권 핵실험 장소나 체르노빌 원자력 발전소 사고와 같은 핵 사고 지역에 주로 존재한다. 예를 들어, 1952년 11월 1일 에네웨타크 환초에서 실시된 미국 최초의 수소 폭탄 실험인 아이비 마이크의 잔해에서는 아메리슘을 포함한 다양한 악티늄족 원소들이 고농도로 검출되었으나, 군사 기밀로 인해 1956년이 되어서야 공개되었다. 1945년 7월 16일 플루토늄을 이용한 트리니티 핵실험 후 뉴멕시코주 앨라모고도 근처 사막에 남겨진 트리니타이트에도 아메리슘-241이 미량 포함되어 있었다. 1968년 그린란드에서 발생한 미국 B-52 폭격기 추락 사고 현장에서도 아메리슘이 검출되었다.

다른 지역에서 아메리슘으로 인한 토양의 평균 방사능은 약 0.01pCi/g (0.37mBq/g)에 불과하다. 대기 중 아메리슘 화합물은 잘 용해되지 않고 주로 토양 입자에 붙어 있는데, 모래 입자의 아메리슘 농도는 물보다 약 1,900배 높고, 롬에서는 더 높게 나타났다.

사용후핵연료 1톤에는 약 100그램의 아메리슘 동위원소(주로 ²⁴¹Am과 ²⁴³Am)가 포함되어 있다. 이들은 장기간 방사능을 띄기 때문에, 다른 장반감기 악티늄족 원소와 함께 핵변환을 통해 반감기가 짧은 원소로 변환시키는 방법으로 폐기해야 하지만, 아직 아메리슘을 위한 핵변환 과정은 개발되지 않았다.

오클로 천연원자로에서는 과거에 아메리슘에서 페르뮴까지의 초우라늄 원소가 자연적으로 생성되었지만, 더 이상 발생하지 않는다. 아메리슘은 프시빌스키의 별에서 발견된 원소 중 하나이기도 하다.

4. 합성 및 추출

아메리슘은 이전의 핵 실험에서도 생성되었을 가능성이 있지만, 1944년 늦가을에 캘리포니아 대학교 버클리에서 글렌 T. 시보그, 레온 O. 모건, 랄프 A. 제임스, 앨버트 기오르소가 처음으로 의도적으로 합성하고 분리하여 확인했다. 그들은 캘리포니아 대학교 버클리의 60인치 사이클로트론을 사용했다. 이 원소는 시카고 대학교의 금속 연구소(현재 아르곤 국립 연구소)에서 화학적으로 확인되었다. 가벼운 넵투늄, 플루토늄, 무거운 큐륨에 이어 아메리슘은 네 번째로 발견된 초우라늄 원소였다. 당시 주기율표는 시보그에 의해 현재의 배열로 재구성되어 란타넘족 아래에 악티늄족을 포함하게 되었다. 이로 인해 아메리슘은 그 쌍둥이 란타넘족 원소인 유로퓸 바로 아래에 위치하게 되었고, 따라서 아메리카를 따라 이름을 지었다.

새로운 원소는 복잡하고 다단계의 과정에서 산화물로부터 분리되었다. 먼저 약 0.5 cm² 면적의 백금 호일에 플루토늄-239 질산염(²³⁹PuNO₃) 용액을 코팅하고, 용액을 증발시킨 후 잔류물을 소성하여 이산화 플루토늄(PuO₂)으로 변환했다. 사이클로트론 조사 후, 코팅은 질산으로 용해된 다음 농축된 수성 암모니아 용액을 사용하여 수산화물로 침전되었다. 잔류물은 과염소산에 용해되었다. 추가적인 분리는 이온 교환을 통해 수행되어 특정 큐륨 동위원소를 얻었다. 큐륨과 아메리슘의 분리는 너무나 어려운 작업이었기에, 당시 버클리 그룹은 그 원소들을 처음에는 판데모니엄 (그리스어로 '모든 악마' 또는 '지옥'을 의미)과 딜리리움 (라틴어로 '광기'를 의미)이라고 불렀다.

초기 실험에서는 ²⁴¹Am, ²⁴²Am, ²³⁹Am 및 ²³⁸Am, 4개의 아메리슘 동위원소가 생성되었다. 아메리슘-241은 두 개의 중성자를 흡수하면 플루토늄으로부터 직접 얻을 수 있었다. 이 동위원소는 α-입자 방출을 통해 ²³⁷Np로 붕괴하며, 이 붕괴의 반감기는 처음에는 510±20년으로 결정되었지만 이후 432.2년으로 수정되었다.

:$\backslash ce\{^\{239\}\_\{94\}Pu\; ->[\backslash ce\{(n,\backslash gamma)\}]\; ^\{240\}\_\{94\}Pu\; ->[\backslash ce\{(n,\backslash gamma)\}]\; ^\{241\}\_\{94\}Pu\; ->[\backslash beta^-][14.35\backslash \; \backslash ce\{yr\}]\; ^\{241\}\_\{95\}Am\}\backslash \; \backslash left(\; \backslash ce\{->[\backslash alpha][432.2\backslash \; \backslash ce\{yr\}]\; ^\{237\}\_\{93\}Np\}\; \backslash right)$

: 시간은 반감기

두 번째 동위원소 ²⁴²Am은 이미 생성된 ²⁴¹Am에 중성자를 충돌시켜 생성되었다. 빠른 β-붕괴를 통해, ²⁴²Am은 큐륨의 동위원소 ²⁴²Cm (이전에 발견됨)으로 전환된다. 이 붕괴의 반감기는 처음에는 17시간으로 결정되었으며, 이는 현재 받아들여지는 값인 16.02시간과 거의 일치한다.

:$\backslash ce\{^\{241\}\_\{95\}Am\; ->[\backslash ce\{(n,\backslash gamma)\}]\; ^\{242\}\_\{95\}Am\}\backslash \; \backslash left(\backslash ce\{->[\backslash beta^-][16.02\backslash \; \backslash ce\{h\}]\; ^\{242\}\_\{96\}Cm\}\; \backslash right)$

1944년 아메리슘과 큐륨의 발견은 맨해튼 계획과 밀접한 관련이 있었으며, 그 결과는 기밀로 유지되다가 1945년에 공개되었다. 시보그는 1945년 11월 11일 미국 화학회 회의에서 공식 발표하기 5일 전 미국 어린이 라디오 쇼 Quiz Kids에서 95번과 96번 원소의 합성에 대해 유출했다. 이는 청취자 중 한 명이 플루토늄과 넵투늄 외에 새로운 초우라늄 원소가 전쟁 중에 발견되었는지 질문했기 때문이다. 아메리슘 동위원소 ²⁴¹Am과 ²⁴²Am의 발견 이후, 그들의 생산과 화합물은 시보그만을 발명가로 기재하여 특허를 받았다. 초기 아메리슘 샘플의 무게는 수 마이크로그램이었으며, 거의 보이지 않았고 방사능으로 식별되었다. 40~200 마이크로그램의 금속 아메리슘의 첫 번째 상당량은 1951년에 1100 °C에서 고진공 하에서 아메리슘(III) 플루오라이드를 바륨 금속으로 환원시켜서야 제조되었다.

아메리슘은 수십 년 동안 소량으로 원자로에서 생산되었으며, 현재까지 ²⁴¹Am 및 ²⁴³Am 동위원소 킬로그램이 축적되었다. 1962년에 처음 판매된 이후, ²⁴¹Am의 가격은 약 1500USD로 매우 복잡한 분리 절차로 인해 거의 변동이 없다. 더 무거운 동위원소 ²⁴³Am은 훨씬 적은 양으로 생산되며, 분리가 더 어렵기 때문에 100000USD~160000USD 수준의 더 높은 비용이 발생한다.

4.1. 동위원소의 핵합성

Americium^영어은 우라늄에서 직접 합성되는 것이 아니라 플루토늄 동위원소 ²³⁹Pu에서 합성된다. ²³⁹Pu는 다음 과정에 따라 먼저 생성된다.

:$^\{238\}\_\{92\}\backslash mathrm\{U\}\; \backslash xrightarrow[]\{(n,\backslash gamma)\}\backslash \; ^\{239\}\_\{92\}\backslash mathrm\{U\}\backslash \; \backslash xrightarrow[23.5\backslash \; \backslash mathrm\{min\}]\{\backslash beta^\{-\}\}\backslash \; ^\{239\}\_\{93\}\backslash mathrm\{Np\}\backslash \; \backslash xrightarrow[2.3565\backslash \; \backslash mathrm\{d\}]\{(n,\backslash gamma)\}\backslash \; ^\{239\}\_\{94\}\backslash mathrm\{Pu\}$

²³⁹Pu가 2개의 중성자를 흡수하는 (n, γ)반응을 거친 뒤, 베타붕괴를 하면 ²⁴¹Am이 된다.

:^{239}_{94}Pu ->[\mathrm{2(n,\gamma)}]\ ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35 \ \mathrm{yr}]\ ^{241}_{95}Am

사용후핵연료에 존재하는 플루토늄의 12%는 ²⁴¹Pu이다. ²⁴¹Pu는 ²⁴¹Am으로 베타 붕괴되기 때문에 연료에서 ²⁴¹Pu를 추출해 ²⁴¹Am을 생성하는 데 사용할 수 있다. 이 과정은 다소 느리다. ²⁴¹Pu의 원래 양의 절반은 약 15년 후에 ²⁴¹Am으로 붕괴하고 ²⁴¹Am 양은 70년 후에 최대치에 도달한다.

얻어진 ²⁴¹Am은 원자로에서 중성자를 쪼여 더 무거운 아메리슘 동위원소를 생성하는 데 사용할 수 있다. 경수로에서는 ²⁴¹Am의 79%는 ²⁴²Am으로, 10%는 ^242mAm으로 전환된다.

:$\backslash begin\{cases\}$
79\%: & \mathrm{^{241}_{95}Am \xrightarrow[]{\mathrm{(n,\gamma)}}\ ^{242}_{95}Am}
\\
10\%: & \mathrm{^{241}_{95}Am \xrightarrow[]{\mathrm{(n,\gamma)}}\ ^{242 m}_{95}Am}
\end{cases}


²⁴²Am의 반감기는 16시간밖에 되지 않아 ²⁴²Am을 ²⁴³Am으로 변환하는 것은 매우 비효율적이다. 대신 ²⁴³Am은 ²³⁹Pu를 큰 중성자속(φ, Neutron flux) 안에서 4개의 중성자를 흡수하는 다음과 같은 과정으로 생성된다.

:^{239}_{94}Pu ->[\mathrm{4(n,\gamma)}] \ ^{243}_{94}Pu ->[\beta^-][4.956 \ \mathrm{h}]\ ^{243}_{95}Am

4.2. 아메리슘 금속의 생성

사용후핵연료는 질산에 용해되며, 퓨렉스(PUREX, 플루토늄 - 우라늄 추출, Plutonium - URanium EXtraction) 공정을 통해 우라늄과 플루토늄이 제거된다. 수용액 층에 남은 아메리슘과 란타넘족 원소는 다이아마이드 기반 추출을 통해 분리된다. 그 후, 적절한 시약을 사용한 여러 단계의 크로마토그래피와 원심분리 과정을 통해 아메리슘 화합물을 선택적으로 추출한다.

금속 아메리슘은 아메리슘 화합물을 환원시켜 얻는다. 초기에는 플루오린화 아메리슘(III) (AmF₃)을 사용하였으며, 바륨을 환원제로 사용하여 다음과 같은 반응을 통해 금속 아메리슘을 얻었다.

:$\backslash mathrm\{2\backslash \; AmF\_3\backslash \; +\backslash \; 3\backslash \; Ba\backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 2\backslash \; Am\backslash \; +\backslash \; 3\backslash \; BaF\_2\}$

란타넘이나 토륨을 사용해 이산화 아메리슘(AmO₂)을 환원시키는 방법도 있다.

:$\backslash mathrm\{3\backslash \; AmO\_2\backslash \; +\backslash \; 4\backslash \; La\backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 3\backslash \; Am\backslash \; +\backslash \; 2\backslash \; La\_2O\_3\}$

5. 물리적 성질

아메리슘은 주기율표에서 플루토늄과 퀴륨 사이, 유로퓸 아래에 위치하며 유로퓸과 많은 물리·화학적 성질을 공유한다. 아메리슘은 방사성 원소로, 광택이 나는 은백색 금속인데 공기 중에서 느리게 산화되며 표면이 흐려진다. 밀도는 12g/cm3로 퀴륨(13.52g/cm3)과 플루토늄(19.8g/cm3)보다 밀도가 낮지만 유로퓸(5.264g/cm3)보다는 높다. 이는 원자량이 더 크기 때문이다. 아메리슘은 비교적 무르고 쉽게 구부릴 수 있으며 악티늄족에서 자신의 원자번호 앞에 있는 토륨, 프로트악티늄, 우라늄, 넵투늄, 플루토늄보다 작은 부피 탄성 계수를 갖는다. 녹는점은 1173°C로 플루토늄(639°C)과 유로퓸(826°C)보다 높지만 퀴륨(1340°C)보다 낮다.

1기압, 실온 상태에서 아메리슘은 가장 안정한 상인 α-형을 이루는데, 이는 육방정계 구조를 가지며 P6₃/mmc 공간군을 가지고, 단위세포에 원자는 4개, 격자 상수는 a = 346.8pm, c = 1124pm이다. 이 결정의 구조는 ABAC순서의 이중육각밀집 구조를 가진다. 이 구조는 α-란타넘이나, α-퀴륨과 같은 일부 악티늄족 원소에서도 발견된다.

아메리슘 결정의 구조는 온도와 압력의 변화에 따라 변화한다. 실온에서 압력을 5 GPa로 늘리면 α-아메리슘은 β-형으로 변하게 되고, 이는 면심 입방 격자(fcc)를 가지며 Fmm 공간군을 가지며 격자상수는 a = 489pm이다. 이 면심 입방 격자는 가장 밀집하게 ABC순서로 배열할 때 구조와 동일하다. 압력을 23 GPa로 늘리면 아메리슘의 구조는 α-우라늄과 비슷한 형태의 사방정계 구조인 γ-형으로 변한다. 10에서 15 GPa 사이에서 단사정계가 나타나는 것을 제외하고는 52 GPa까지 더 이상의 전이는 관찰되지 않는다. 이 단계의 상태에 대한 기록은 서로 일관적이지 않으며, α와 β, γ 단계도 I, II 및 III로 나열하는 경우가 있다. β-γ 구조 전이에서는 부피가 6%가 감소한다. 이론상으로는 α-β 구조 전이에서도 부피 변화가 예상되지만, 실험으로 관찰된 바는 없다. α-β 구조 전이가 일어나기 위해 필요한 압력은 온도가 증가함에 따라 줄어든다. 표준 압력에서 α-아메리슘을 가열할 때, 770°C에서 β-아메리슘과 다른 면심입방 구조로 변하고, 1075°C에서는 체심입방 구조로 변하게 된다. 그러하여 아메리슘의 압력-온도 상평형 그림은 란타넘과 프라세오디뮴, 네오디뮴의 것과 비슷하다.

다른 악티늄족 원소와 마찬가지로 아메리슘에서는 알파 입자 조사로 인한 결정 구조의 자체 손상이 발생한다. 생성된 구조 결함의 이동성은 X선 회절 피크의 확대에 의해 상대적으로 낮다. 이 효과는 아메리슘의 온도와 전기저항률과 같은 일부 특성을 다소 불확실하게 만든다. 따라서, 아메리슘-241의 경우, 4,200에서의 저항률은 40시간 후 약 2 µOhm·cm에서 10 µOhm·cm까지 시간에 따라 증가하며, 140시간 후 약 16 µOhm·cm에서 포화상태에 도달한다. 이 효과는 방사선 결함의 파괴로 인해 실온에서 덜 두드러진다. 낮은 온도에서 몇 시간 동안 보관된 샘플을 실온으로 가열하면 저항률이 돌아온다. 새로운 샘플에서 저항률은 액체 헬륨에서 약 2 µOhm·cm에서 상온에서 69 µOhm·cm로 점차 증가하는데, 이 변화는 넵투늄, 우라늄, 토륨, 프로트악티늄의 변화와 유사하지만, 60 K까지 빠른 증가를 보이는 플루토늄과 퀴륨과는 다르다. 아메리슘의 실온일 때의 값은 넵투늄, 플루토늄, 퀴륨보다 낮지만 우라늄, 토륨 및 프로트악티늄보다 높다.

아메리슘은 액체 헬륨의 온도에서나 실온, 또는 그 이상의 넓은 온도 범위에서 상자성을 띤다. 이 행동은 52K에서 반강자성 전이를 가진 퀴륨과는 확연히 다르다. 아메리슘의 열팽창 계수는 약간의 비등방성이 있어, 짧은 a축은 (7.5±0.2)×10-6/°C이며, 긴 육각형 형태의 c축은 (6.2±0.4)×10-6/°C이다. 표준 조건에서 염산에 아메리슘 금속을 용해시키는 엔탈피는 −620.6±1.3 kJ/mol이며, 여기서 Am³⁺이온의 표준 생성 엔탈피 변화 (Δ_fH°)는 −621.2±2.0 kJ/mol 이다. 표준 전위 Am³⁺/Am⁰은 −2.08±0.01 V이다.

6. 화학적 성질

아메리슘 금속은 산소와 쉽게 반응하고, 산에는 잘 녹지만 알칼리에는 안정하다. 가장 안정한 산화수는 +3이며, Am(III)의 화학적 성질은 란타넘족(III)의 성질과 많은 유사점이 있다. 예를 들어 3가 아메리슘은 플루오린화염, 옥살산염(수산염), 수산화염, 인산염 등의 다양한 염을 만든다. 산화수가 2, 4, 5, 6, 7인 아메리슘 화합물도 연구되었으며, 이는 악티늄족 원소 중 가장 광범위하게 연구된 것이다. 수용액 상태에서 아메리슘 화합물의 색은 다음과 같다: Am³⁺(황적색), Am⁴⁺(황적색), AmO₂⁺(노란색), AmO₂²⁺(갈색), AmO₆^5-(암녹색). 흡광 스펙트럼에서는 가시광선과 근적외선 영역에서 일어나는 f-f 전이 때문에 피크가 나타난다. 일반적으로 Am(III)의 최대 흡수 파장은 ca. 504와 811 nm에서, Am(V)는 ca. 514와 715 nm, Am(VI)은 ca. 666과 992 nm에서 나타난다.

산화수 +4 이상의 아메리슘 화합물은 강한 산화제이며, 산성 용액에서는 과망가니즈산 이온과 강도가 비슷하다. Am⁴⁺ 이온은 수용액에서 불안정하며 Am³⁺로 쉽게 전환되는 반면, 이산화 아메리슘(AmO₂)과 플루오린화 아메리슘(IV)(AmF₄)과 같은 화합물을 이루면 고체 상태에서 안정하게 된다.

5가 아메리슘은 1951년에 처음 관찰되었다. 산성 수용액에서 AmO₂⁺ 이온은 불균등화 반응에 의해 불안정하다.

:$3AmO\_2^+\; +\; 4H^+\; \backslash rightarrow\; 2AmO\_2^\{2+\}\; +\; Am^\{3+\}\; +\; 2H\_2O$

Am(V)과 Am(VI)의 화학적 성질은 이와 동일한 산화수의 우라늄의 화학적 성질과 비슷하다. 특히, Li₃AmO₄와 Li₆AmO₆ 같은 화합물은 우라네이트와 유사하고, AmO₂²⁺은 우라닐 이온 UO₂²⁺와 유사하다.

7. 화합물

아메리슘은 주기율표에서 플루토늄과 퀴륨 사이에, 유로퓸 아래에 위치하며 유로퓸과 많은 물리·화학적 성질을 공유한다. 아메리슘은 산소와 쉽게 반응하고, 산에 잘 녹으며, 알칼리에 안정하다. 가장 안정적인 산화수는 +3이며, Am(III)의 화학적 성질은 란타넘족(III)의 성질과 유사하다. 예를 들어 3가 아메리슘은 플루오린화염, 옥살산염(수산염), 수산화염, 인산염 등의 다양한 염을 만든다.

산화수가 2, 4, 5, 6, 7인 아메리슘 화합물도 연구되었으며, 이는 악티늄족 원소 중 가장 넓은 범위이다. 수용액에서 아메리슘 화합물의 색은 다음과 같다: Am³⁺(황적색), Am⁴⁺(황적색), Am^VO₂⁺(노란색), Am^VIO₂²⁺(갈색), Am^VIIO₆^5-(암녹색). 흡광 스펙트럼에서는 가시광선과 근적외선 영역에서 f-f 전이로 인한 피크가 나타난다. Am(III)은 주로 504와 811 nm에서, Am(V)는 514와 715 nm, Am(VI)는 666과 992 nm에서 최대 흡수 파장을 보인다.

+4 이상의 산화수를 갖는 아메리슘 화합물은 강한 산화제이며, 산성 용액에서 과망가니즈산 이온(MnO₄^-)과 강도가 비슷하다. Am⁴⁺ 이온은 수용액에서 불안정하여 Am³⁺로 쉽게 전환되는 반면, 이산화 아메리슘(AmO₂)과 아메리슘(IV) 플루오린화물(AmF₄)과 같은 화합물은 고체 상태에서 안정하다.

5가 아메리슘은 1951년에 처음 관찰되었다. 산성 수용액에서 AmO₂⁺ 이온은 불균등화 반응에 의해 불안정하다.

:3[AmO₂]⁺ + 4H⁺ → 2[AmO₂]²⁺ + Am³⁺ + 2H₂O

Am(V)와 Am(VI)의 화학적 성질은 같은 산화수의 우라늄과 비슷하다. Li₃AmO₄와 Li₆AmO₆ 같은 화합물은 우라네이트와 유사하고, AmO₂²⁺은 우라닐 이온 UO₂²⁺와 유사하다. 사용되었던 다른 산화제로는 산화 은(I), 오존, 과황산나트륨이 있다.

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7.1. 산화물

아메리슘(II) 산화물(AmO), 아메리슘(III) 산화물(Am₂O₃), 아메리슘(IV) 산화물(AmO₂) 등 세 가지 아메리슘 산화물이 알려져 있다. 이 중 AmO₂는 거의 모든 용도로 사용되는 주요 고체 아메리슘 형태이다. 대부분의 다른 악티늄족 원소 이산화물과 마찬가지로, 입방정계(형석) 결정 구조를 가진 검은 고체이다. Am₂O₃는 녹는점이 2205°C인 적갈색 고체이다. 산화 아메리슘(II)는 매우 소량 제조되었으며, 상세하게는 특징지어지지 않았다.

7.2. 할로젠화물

아메리슘의 할로젠화물은 +2, +3, +4의 산화 상태로 알려져 있으며, 용액에서 +3이 가장 안정하다.

나트륨 아말감으로 Am(III) 화합물을 환원시키면 Am(II) 염, 즉 검은색 할로겐화물 AmCl₂, AmBr₂ 및 AmI₂가 생성된다. 이들은 산소에 매우 민감하며 물에서 산화되어 수소를 방출하고 Am(III) 상태로 다시 변환된다. 특정 격자 상수는 다음과 같다.

* 사방정계 AmCl₂: a = 896.3±0.8 pm, b = 757.3±0.8 pm 및 c = 453.2±0.6 pm
* 정방정계 AmBr₂: a = 1159.2±0.4 pm 및 c = 712.1±0.3 pm.

금속 아메리슘과 적절한 수은 할로겐화물 HgX₂ (X = Cl, Br 또는 I)를 반응시켜서도 제조 할 수 있다.

:{Am} + \underset{mercury\ halide}{HgX2} ->[{} \atop 400 - 500 ^\circ \ce C] {AmX2} + {Hg}

아메리슘(III) 플루오린화물(AmF₃)은 용해도가 낮으며 약산성 용액에서 Am³⁺와 플루오린 이온의 반응으로 침전된다.

:Am^3+ + 3F^- -> AmF3(v)

4가 아메리슘(IV) 플루오린화물(AmF₄)은 고체 아메리슘(III) 플루오린화물과 분자 플루오린의 반응으로 얻어진다.

:2AmF3 + F2 -> 2AmF4

고체 4가 아메리슘 플루오린화물의 또 다른 알려진 형태는 KAmF₅이다. 4가 아메리슘은 수용액에서도 관찰되었다. 이를 위해 검은색 Am(OH)₄를 15-M NH₄F에 아메리슘 농도가 0.01 M이 되도록 용해시켰다. 생성된 붉은색 용액은 AmF₄와 유사하지만 아메리슘의 다른 산화 상태와는 다른 특징적인 광학 흡수 스펙트럼을 보였다. Am(IV) 용액을 90 °C로 가열해도 불균등화 또는 환원이 일어나지 않았지만, 아메리슘의 알파 입자에 의한 자체 조사로 인해 Am(III)로의 느린 환원이 관찰되었다.

대부분의 아메리슘(III) 할로겐화물은 할로겐 간의 색상과 정확한 구조의 약간의 변화와 함께 육각형 결정을 형성한다. 염화물(AmCl₃)은 붉은색을 띠며 염화 우라늄(III) (공간군 P6₃/m)과 동일한 구조를 가지고 있으며 715 °C의 융점을 갖는다. 플루오린화물은 LaF₃ (공간군 P6₃/mmc)와 동일하며 요오드화물은 BiI₃ (공간군 R)와 동일하다. 브로민화물은 사방정계 PuBr₃형 구조와 공간군 Cmcm을 갖는 예외이다. 아메리슘(III) 염화물 육수화물(AmCl₃·6H₂O)의 결정은 이산화 아메리슘을 염산에 용해시키고 액체를 증발시켜 제조할 수 있다. 이 결정은 흡습성이 있으며 노란색-붉은색을 띠고 단사정계 결정 구조를 갖는다.

Am^VIO₂X₂, Am^VO₂X, Am^IVOX₂ 및 Am^IIIOX 형태의 아메리슘 옥시할로겐화물은 해당 아메리슘 할로겐화물을 산소 또는 Sb₂O₃와 반응시켜 얻을 수 있으며, AmOCl은 기상 가수분해로 생성할 수도 있다.

:AmCl3 + H2O -> AmOCl + 2HCl

7.3. 칼코제나이드와 프닉타이드

아메리슘의 칼코겐화물에는 황화물 AmS₂, 셀렌화물 AmSe₂와 Am₃Se₄, 및 텔루르화물 Am₂Te₃와 AmTe₂가 있다. 인, 비소, 안티몬, 비스무트 원소와 결합한 아메리슘(²⁴³Am) 프닉타이드 AmX형도 알려져 있으며, 이들은 암염 격자에서 결정화된다.

7.4. 규화물과 붕화물

규소화물에는 AmSi, AmSi_x (1.87 < x < 2.0) 등이 알려져 있다. 이들은 진공 상태에서 1050°C(AmSi) 및 1150−1200°C(AmSi_x)에서 아메리슘(III) 플루오라이드를 원소 실리콘으로 환원시켜 얻는다. AmSi는 LaSi와 동형인 검은색 고체로, 사방정계 결정 대칭을 갖는다. AmSi_x는 밝은 은색 광택과 정방 결정 격자(공간군 I4₁/amd)를 가지며, PuSi₂ 및 ThSi₂와 동형이다. 붕소화물에는 AmB₄, AmB₆가 있다. 사붕소 화합물은 아메리슘의 산화물 또는 할로겐화물을 마그네슘 디보라이드와 함께 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 가열하여 얻을 수 있다.

7.5. 유기금속화합물

우라노센과 유사하게, 아메리슘은 두 개의 사이클로옥타테트라엔 리간드를 가진 유기금속 화합물인 아메로센을 형성할 것으로 예측되며, 화학식은 (η⁸-C₈H₈)₂Am이다. 사이클로펜타디에닐 착물 또한 알려져 있으며 화학 양론적으로 AmCp₃일 가능성이 높다.

n-C₃H₇-BTP와 Am³⁺ 이온을 포함하는 용액에서 BTP가 2,6-di(1,2,4-triazin-3-yl)피리딘을 의미하는 Am(n-C₃H₇-BTP)₃ 유형의 착물이 EXAFS에 의해 확인되었다. 이러한 BTP 유형 착물 중 일부는 아메리슘과 선택적으로 상호 작용하므로 란타넘족 및 다른 악티늄족 원소로부터 아메리슘을 선택적으로 분리하는 데 유용하다.

8. 생물학적 측면

아메리슘은 최근에 만들어진 인공 원소이기에 생물학적으로 필요하지 않으며, 생명체에 해롭다. 강과 하천에서 아메리슘과 다른 중금속을 제거하기 위해 박테리아를 사용하는 방법이 제안되었다. 시트로박터 속의 장내세균과 세균은 수용액에서 아메리슘 이온을 침전시켜 세포벽에 금속-인산 복합체로 결합시킨다. 박테리아와 균류에 의한 아메리슘의 생물 흡착 및 생물 축적에 대한 여러 연구가 보고되었다.

9. 핵분열

^242mAm^영어 (반감기 141년)은 열중성자 흡수 단면적이 매우 커서 (5,700 반) 지속적인 핵 연쇄 반응을 위한 작은 임계 질량을 갖는다. ^242mAm^영어의 노출된 구체의 임계 질량은 약 9~14kg이다. 금속 반사체를 사용하면 3~5kg으로 낮출 수 있으며, 물 반사체를 사용하면 더 작아질 수 있다. 이러한 작은 임계 질량은 휴대용 핵무기에 유리하지만, ^242mAm^영어을 기반으로 한 핵무기는 희소성과 높은 가격 때문에 아직 알려진 것이 없다. 다른 두 동위원소 ²⁴¹Am^영어 및 ²⁴³Am^영어의 임계 질량은 상대적으로 높아, ²⁴¹Am^영어은 57.6~75.6kg이고 ²⁴³Am^영어은 209kg이다. 희소성과 높은 가격은 아메리슘을 원자력 발전소의 핵연료로 사용하기 어렵게 하는 요인이다.

10. 동위원소와 이성질핵

아메리슘은 19개의 동위원소와 8개의 이성질핵이 알려져 있다. 가장 안정적인 동위원소는 ²⁴³Am으로 반감기는 7,370년이다. ²⁴¹Am의 반감기는 432.2년이며, 화재 경보기의 일종인 이온화식 연기 감지기 등에 사용된다. 가장 안정적인 이성질핵은 ^242m1Am으로 반감기는 141년이다. 나머지 동위원소와 이성질핵의 반감기는 0.64 마이크로초(^245m1Am)에서 50.8시간(²⁴⁰Am) 사이이다. 홀수 개의 중성자를 가진 아메리슘 동위원소는 비교적 높은 핵분열 속도와 낮은 임계 질량을 갖는다.

11. 용도

아메리슘은 다양한 분야에서 유용하게 사용된다.

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* 이온화식 연기 감지기: 가정용 연기 감지기에는 ²⁴¹Am이 사용된다. 이 동위원소는 알파 입자를 방출하고 상대적으로 해로운 감마 방사선을 거의 방출하지 않아 선호된다. 연기 감지기 내에서 방사선은 전극 사이의 이온화 챔버를 통과하며 전류를 흐르게 한다. 연기가 챔버에 들어오면 알파 입자를 흡수하여 이온화를 감소시키고 전류에 영향을 미쳐 경보를 울린다.
* 방사성 동위 원소: ²⁴¹Am은 방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)에 사용될 수 있으며, 유럽 우주국(ESA)은 이를 우주 탐사선 연료로 사용하는 것을 고려하고 있다. ^242mAm은 핵 배터리에 사용될 수 있는데, 영국 국립 핵 연구소와 레스터 대학교는 아메리슘을 이용해 작은 전구를 켜는 실험에 성공했다.
* 중성자원: ²⁴¹Am 산화물과 베릴륨 압착물은 중성자원으로, ²⁴¹Am은 알파 입자 공급원, 베릴륨은 중성자 생성 역할을 한다. 이 중성자원은 흙의 수분 함량 측정, 고속도로 건설 시 품질 관리, 검층, 중성자 방사선 촬영, 컴퓨터 단층촬영, 방사화학 연구 등에 사용된다.
* 다른 원소 생산: 아메리슘은 ²⁴²Cm, ²⁴²플루토늄(Pu) 등 다른 초우라늄 원소 및 초악티늄족 원소 생산의 시작 물질로 사용된다. 또한, 중성자 포획 및 β-붕괴를 통해 ²⁴⁴Cm으로 변환될 수 있으며, 특정 이온을 조사(照射)하여 아인슈타이늄(Es), 더브늄(Db), 버클륨(Bk), 노벨륨, 로렌슘 등을 생성할 수 있다.
* 분광기: ²⁴¹Am은 감마선과 알파 입자를 방출하는 휴대용 선원으로, 물질 분석, 유리 두께 측정, 감마선 분광계 교정 등에 사용된다. 과거 갑상선 기능 진단에도 사용되었으나 현재는 사용되지 않는다.

아메리슘과 그 화합물은 방사성이 매우 강하므로 특별 절차를 거쳐 적절한 실험실에서만 취급해야 한다. 대부분의 아메리슘 동위원소는 알파 입자를 방출하지만, 붕괴 생성물 중 감마선과 중성자를 방출하는 경우도 있어 주의가 필요하다. 섭취 시 대부분 배설되지만, 일부는 간, 뼈 등에 축적되어 암세포 형성을 촉진할 수 있다. 1994년 데이비드 한의 연기 감지기 아메리슘 추출 시도, 1970년 해롤드 맥클러스키의 아메리슘 노출 사고 등이 있었다.

11.1. 이온화식 연기 감지기

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아메리슘은 가정에서 가장 흔하게 사용되는 연기 감지기에 사용되며, 여기서는 이산화 아메리슘(²⁴¹AmO₂) 형태의 ²⁴¹Am을 이온화 방사선의 방사성 동위원소로 사용한다. 이 동위원소는 ²²⁶Ra보다 알파 입자를 5배 더 방출하고 상대적으로 해로운 감마 방사선을 거의 방출하지 않기 때문에 선호된다.

일반적인 새 연기 감지기에는 아메리슘 1 마이크로퀴리 (37 킬로베크렐) 또는 0.29 마이크로그램이 들어있다. 아메리슘이 넵투늄-237로 붕괴되면서 이 양은 천천히 감소하며, 넵투늄-237은 훨씬 더 긴 반감기(약 214만 년)를 가진 다른 초우라늄 원소이다. 반감기가 432.2년인 아메리슘-241은 19년 후 약 3%, 32년 후 약 5%의 넵투늄을 포함한다. 방사선은 두 개의 전극 사이의 공기로 채워진 이온화 챔버를 통과하며, 전극 사이에서 작고 일정한 전류를 흐르게 한다. 챔버에 들어온 연기는 알파 입자를 흡수하여 이온화를 감소시키고 이 전류에 영향을 미쳐 경보를 울리게 된다. 이온화식 연기 감지기는 다른 방식인 광학식 연기 감지기에 비해 더 저렴하고, 상당한 빛 산란을 일으키기에 너무 작은 입자까지 감지할 수 있지만, 오경보가 발생하기 쉽다.

11.2. 방사성 동위 원소

²⁴¹Am^영어은 방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)에 사용될 수 있다. 아메리슘은 플루토늄에 비해 열과 전기를 덜 생산하지만, ²⁴¹Am^영어의 전력 생산량은 114.7mW/g이고, ²⁴³Am^영어은 6.31mW/g이다. (²³⁸Pu^영어는 390mW/g). 유럽 우주국(ESA)은 우주 탐사선 연료로 아메리슘을 사용하는 것을 고려하고 있다.

^242mAm^영어은 핵 배터리에 사용될 수 있는데, 이 배터리에서 아메리슘은 알파 입자가 방출하는 에너지가 아니라 전하를 이용하며, 자체 유지되는 음극(-) 역할을 한다. 이러한 배터리에서 3.2kg의 ^242mAm^영어 전하는 약 80일 동안 약 140kW의 전력을 제공할 수 있다. 2019년 영국 국립 핵 연구소와 레스터 대학교는 아메리슘을 이용하여 작은 전구를 점등하는 것을 시연했다. 이 기술은 태양 전지판이 작동하지 않는 성간 우주에서도 최대 400년 동안 임무를 수행하는 시스템을 가능하게 할 수 있다.

11.3. 중성자원

²⁴¹Am^영어 산화물과 베릴륨 압착물은 중성자원으로 사용된다. 이 경우, ²⁴¹Am^영어은 다음 반응을 통해 알파 입자 공급원 역할을 한다.

:^{241}_{95}Am -> ^{237}_{93}Np + ^{4}_{2}He + \gamma

베릴륨은 (α,n) 핵반응 단면적이 커서 다음 반응을 통해 중성자를 생성한다.

:^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n + \gamma

²⁴¹Am^영어-Be 중성자원은 흙에 포함된 물의 양을 측정하거나 고속도로 건설 중 품질 관리를 위한 습도 및 밀도를 측정하는 중성자 프로브에 주로 사용된다. 이 외에도 검층, 중성자 방사선 촬영, 컴퓨터 단층촬영을 비롯한 방사화학 연구에도 사용된다.

11.4. 다른 원소의 생산

아메리슘은 다른 초우라늄 원소 및 초악티늄족 원소 생산의 시작 물질로 사용된다. 예를 들어 ²⁴²Am의 82.7%는 ²⁴²Cm로 붕괴하고, 17.3%는 ²⁴²플루토늄(Pu)으로 붕괴한다. 또한 원자로에서 ²⁴²Am은 중성자 포획에 의해 ²⁴³Am과 ²⁴⁴Am으로 변환되며, 이는 β-붕괴를 통해 ²⁴⁴Cm으로 변환된다.

: ^{243}_{95}Am ->[\ce{(n,\gamma)}] ^{244}_{95}Am ->[\beta^-][10.1 \ \ce{h}] ^{244}_{96}Cm

²⁴¹Am에 ¹²C 또는 ²²Ne 이온을 조사(照射)하면 각각 ²⁴⁷아인슈타이늄(Es)과 ²⁶⁰더브늄(Db)이 생성된다. 1949년, 버클리 그룹은 60인치 사이클로트론에서 ²⁴¹Am에 알파 입자를 충돌시켜 버클륨(²⁴³Bk)을 처음으로 인공적으로 생산하고 확인했다. 마찬가지로, 노벨륨은 1965년 러시아 두브나의 공동 원자력 연구소에서 ²⁴³Am에 ¹⁵N을 조사하는 등 다양한 반응을 통해 생성되었다. 또한 버클리와 두브나의 과학자들이 발견한 로렌슘 합성 반응 중 하나는 ²⁴³Am에 ¹⁸O를 충돌시키는 것이었다.

11.5. 분광기

²⁴¹Am은 여러 의료 및 산업 용도로 감마선과 알파 입자를 방출하는 휴대용 선원으로 사용된다. ²⁴¹Am에서 방출되는 59.5409 keV 감마선은 방사선촬영 및 X선 형광 분광법에서 물질의 간접 분석에 사용될 수 있으며, 평판 유리의 두께 측정에도 사용된다. 또한 ²⁴¹Am은 스펙트럼이 거의 하나의 피크이고 컴프턴 연속체(강도가 최소 3자릿수 낮음)가 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 저에너지 범위에서 감마선 분광계를 교정하는 데에도 적합하다. 과거에는 ²⁴¹Am 감마선을 이용하여 갑상선 기능을 진단하기도 했지만, 현재는 이 방법이 사용되지 않는다.

12. 건강과 안전

아메리슘과 그 화합물은 방사성이 매우 강하므로 특별한 절차를 거친 실험실에서만 다루어야 한다. 대부분의 아메리슘 동위원소는 주로 알파 입자를 방출하는데, 이 알파 입자는 얇은 층의 물질로 막을 수 있다. 하지만 붕괴 생성물 중에는 감마선과 중성자를 방출하는 것들이 많아 차폐하기 어렵다.

아메리슘을 섭취하면 대부분 며칠 안에 몸 밖으로 배설된다. 혈액으로 흡수되는 비율은 0.05%에 불과하며, 이 중 약 45%는 간으로, 45%는 뼈로 이동하고, 나머지 10%는 배설된다. 간에 흡수되는 정도는 사람마다 다르며 나이가 많을수록 증가한다. 뼈에서는 아메리슘이 먼저 피질골 및 해면골 표면에 쌓이고 시간이 지나면서 뼈 전체로 천천히 퍼진다. ²⁴¹Am의 생물학적 반감기는 뼈에서 50년, 간에서 20년이며, 생식선에서는 영구적으로 남는다. 이 모든 기관에서 아메리슘은 방사능을 방출하여 암세포 형성을 촉진할 수 있다.

1994년 17세의 데이비드 한은 증식형 원자로를 만들기 위해 약 100개의 연기 감지기에서 아메리슘을 추출한 사건이 있었다. 아메리슘에 노출된 사례 중 가장 심각한 사건은 1970년 8월 30일에 화학기술자 해럴드 맥클러스키에게 일어났다. 당시 64세였던 맥클러스키는 글러브 박스 폭발 사고로 최소 37MBq의 ²⁴¹Am에 노출되었다. 그는 이 사건과 관련 없는 질병으로 75세에 사망했다.