오가네손

1. 개요

오가네손(Og)은 원자 번호 118번의 인공적으로 합성된 원소로, 주기율표의 18족에 속하는 가장 무거운 원소이다. 1922년 닐스 보어에 의해 처음 예측되었고, 2002년 러시아 두브나의 러시아연방핵연구소와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 공동 연구팀에 의해 처음 관측되었다. 2015년 IUPAC에 의해 발견이 공식적으로 인정되었으며, 유리 오가네시안의 이름을 따서 명명되었다. 오가네손은 현재까지 오가네손-294 동위원소만 확인되었으며, 매우 짧은 반감기를 가지고 알파 붕괴를 한다. 이론적으로는 다른 비활성 기체와 달리 반응성이 클 것으로 예측되며, 플루오린과 화합물을 형성할 수 있을 것으로 예상된다.

2. 발견 역사

1998년, 폴란드의 물리학자 로베르트 스몰란추크(Robert Smolańczuk)는 초중원소 원자핵 융합에 대한 계산 결과를 발표했다. 그의 계산에 따르면, 납과 크립톤을 융합하여 118번 원소인 오가네손을 생성할 수 있으며, 그 반응의 융합 확률(반응 단면적)이 106번 원소인 시보기움을 생성했던 납-크로뮴 반응과 유사할 것이라고 제시했다.

1999년, 로렌스 버클리 국립 연구소 연구원들은 이러한 예측을 활용하여 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 118번 원소와 116번 원소의 발견을 발표했고, 곧이어 사이언스에도 보고되었다. 연구원들은 다음과 같은 핵반응을 수행했다고 보고했다.

:⁸⁶₃₆Kr + ²⁰⁸₈₂Pb → ²⁹³₁₁₈Og + n

그러나 2001년 다른 연구소의 연구원들이 그 결과를 재현할 수 없었고, 버클리 연구소 역시 재현할 수 없었기 때문에 논문은 철회되었다. 2002년 6월, 연구소 소장은 이 두 원소의 발견에 대한 초기 주장이 주 저자인 빅터 니노프(Victor Ninov)가 조작한 데이터를 기반으로 했다고 발표했다.

2002년 러시아 두브나의 합동 핵 연구소(JINR)와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 공동 연구팀은 캘리포늄-249와 칼슘-48 이온을 충돌시켜 오가네손 원자를 처음으로 관측했다. 2006년 10월 9일, 공동 연구진은 오가네손-294 원자 3개(혹은 4개) 합성에 성공했다고 공식 발표했다. 이 실험에서 오가네손-294는 알파 붕괴를 통해 리버모륨-290으로 붕괴하고, 다시 플레로븀-286을 거쳐 최종적으로 코페르니슘-282로 붕괴하는 과정이 관측되었다.

:²⁴⁹₉₈Cf + ⁴⁸₂₀Ca → ²⁹⁴₁₁₈Og + 3n

:²⁹⁴₁₁₈Og → ²⁹⁰₁₁₆Lv + ⁴₂He

2011년 IUPAC은 두브나-리버모어 공동 연구팀의 2006년 결과를 평가했지만, "Z = 118 동위원소에 대해 보고된 세 가지 사건은 매우 우수한 내부 중복성을 가지고 있지만 알려진 핵에 대한 기준이 없으므로 발견 기준을 충족하지 못합니다."라고 결론지었다.

2015년 12월, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리학연합(IUPAP)의 합동 작업반은 오가네손의 발견을 공식 인정하고, 두브나 합동핵연구소-로렌스 리버모어 국립 연구소 공동 연구팀에 발견 우선권을 부여했다. 이는 2009년과 2010년에 로렌스 버클리 국립 연구소에서 ²⁹⁴Og의 손녀핵종인 ²⁸⁶플레로븀(Fl)의 특성을 확인한 두 건의 연구와 2012년 두브나 연구팀이 ²⁹⁴Og의 또 다른 일관된 붕괴 사슬을 관측한 결과 때문이었다. 당시 실험의 목표는 ²⁴⁹버클륨(Bk)(⁴⁸칼슘(Ca),3n) 반응을 통해 ²⁹⁴테네신(Ts)을 합성하는 것이었지만, ²⁴⁹Bk의 반감기가 짧아 상당량의 표적이 ²⁴⁹칼리포르늄(Cf)으로 붕괴되어 테네신 대신 오가네손이 합성되었다.

2.1. 초기 예측

한스 페터 요르겐 율리우스 톰센은 1895년 4월에 아르곤과 유사한 일련의 화학적으로 불활성인 기체들이 할로젠과 알칼리 금속 그룹을 연결할 것이라고 예측했다. 그는 이 계열의 일곱 번째 기체가 토륨과 우라늄을 포함하는 32개 원소 주기를 끝맺고, 원자량이 292일 것이라고 예상했는데, 이는 현재 오가네손의 유일하게 확인된 동위원소의 원자량 294와 가깝다. 닐스 보어는 1922년에 이 일곱 번째 희유 기체의 원자 번호가 118이어야 하며, 전자 배열이 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8이라고 예측했는데, 이는 현대의 예측과 일치한다. 이후, 아리스티드 폰 그로세는 1965년에 118번 원소의 예상되는 성질을 예측하는 논문을 발표했다.

2.2. 1999년 합성 실패

1998년, 폴란드의 물리학자 로베르트 스몰란추크(Robert Smolańczuk)는 초중원소 원자핵 융합에 대한 계산 결과를 발표했다. 그의 계산에 따르면, 납과 크립톤을 융합하여 118번 원소인 오가네손을 생성할 수 있으며, 그 반응의 융합 확률(반응 단면적)이 106번 원소인 시보기움을 생성했던 납-크로뮴 반응과 유사할 것이라고 제시했다.

1999년, 로렌스 버클리 국립 연구소 연구원들은 이러한 예측을 활용하여 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 118번 원소와 116번 원소의 발견을 발표했고, 곧이어 사이언스에도 보고되었다. 연구원들은 다음과 같은 핵반응을 수행했다고 보고했다.

:⁸⁶₃₆Kr + ²⁰⁸₈₂Pb → ²⁹³₁₁₈Og + n

그러나 2001년 다른 연구소의 연구원들이 그 결과를 재현할 수 없었고, 버클리 연구소 역시 재현할 수 없었기 때문에 논문은 철회되었다. 2002년 6월, 연구소 소장은 이 두 원소의 발견에 대한 초기 주장이 주 저자인 빅터 니노프(Victor Ninov)가 조작한 데이터를 기반으로 했다고 발표했다.

2.3. 2006년 합성 성공

2002년 러시아 두브나의 합동 핵 연구소(JINR)와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 공동 연구팀은 캘리포늄-249와 칼슘-48 이온을 충돌시켜 오가네손 원자를 처음으로 관측했다. 2006년 10월 9일, 공동 연구진은 오가네손-294 원자 3개(혹은 4개) 합성에 성공했다고 공식 발표했다. 이 실험에서 오가네손-294는 알파 붕괴를 통해 리버모륨-290으로 붕괴하고, 다시 플레로븀-286을 거쳐 최종적으로 코페르니슘-282로 붕괴하는 과정이 관측되었다.

:²⁴⁹₉₈Cf + ⁴⁸₂₀Ca → ²⁹⁴₁₁₈Og + 3n

:²⁹⁴₁₁₈Og → ²⁹⁰₁₁₆Lv + ⁴₂He

2011년 IUPAC은 두브나-리버모어 공동 연구팀의 2006년 결과를 평가했지만, "Z = 118 동위원소에 대해 보고된 세 가지 사건은 매우 우수한 내부 중복성을 가지고 있지만 알려진 핵에 대한 기준이 없으므로 발견 기준을 충족하지 못합니다."라고 결론지었다.

2.4. 추가 검증 및 발견 인정

2015년 12월, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리학연합(IUPAP)의 합동 작업반은 오가네손의 발견을 공식 인정하고, 두브나 합동핵연구소-로렌스 리버모어 국립 연구소 공동 연구팀에 발견 우선권을 부여했다. 이는 2009년과 2010년에 로렌스 버클리 국립 연구소에서 ²⁹⁴Og의 손녀핵종인 ²⁸⁶플레로븀(Fl)의 특성을 확인한 두 건의 연구와 2012년 두브나 연구팀이 ²⁹⁴Og의 또 다른 일관된 붕괴 사슬을 관측한 결과 때문이었다. 당시 실험의 목표는 ²⁴⁹버클륨(Bk)(⁴⁸칼슘(Ca),3n) 반응을 통해 ²⁹⁴테네신(Ts)을 합성하는 것이었지만, ²⁴⁹Bk의 반감기가 짧아 상당량의 표적이 ²⁴⁹칼리포르늄(Cf)으로 붕괴되어 테네신 대신 오가네손이 합성되었다.

2015년 10월 1일부터 2016년 4월 6일까지 두브나 연구팀은 ²⁴⁹Cf, ²⁵⁰Cf, ²⁵¹Cf를 포함하는 혼합 동위원소 칼리포늄 표적에 ⁴⁸Ca 발사체를 조준하는 유사한 실험을 수행하여 더 무거운 오가네손 동위원소인 ²⁹⁵Og와 ²⁹⁶Og를 생성하고자 했다. 252 MeV와 258 MeV의 두 가지 빔 에너지를 사용했다. 낮은 빔 에너지에서는 단 하나의 원자가 관측되었는데, 이 원자의 붕괴 사슬은 이전에 알려진 ²⁹⁴Og의 붕괴 사슬(²⁸⁶Fl의 자발 핵분열로 끝남)과 일치했고, 높은 빔 에너지에서는 아무것도 관측되지 않았다. 그 후 섹터 프레임의 접착제가 표적을 덮어 증발 잔류물이 검출기로 빠져나가는 것을 차단했기 때문에 실험이 중단되었다.

3. 원소 명명

멘델레예프의 미지 원소 명명법에 따르면, 오가네손은 에카-라돈(1960년대까지는 에카-에마네이션, 에마네이션은 라돈의 옛 이름)으로도 알려져 있었다. 1979년, IUPAC는 미발견 원소에 체계적인 임시 이름인 우누녹튬(Ununoctium, Uuo)을 부여하고, 원소의 발견이 확인될 때까지 이를 사용할 것을 권장했다.

2002년 이전, 버클리 연구소는 연구소장 앨버트 기오르소의 이름을 따서 '기오르슘'(Gh)으로 명명할 계획이었다.

2007년 러시아 연구소는 게오르기 플레로프의 이름을 딴 '플레로븀'과 모스크바주의 이름을 딴 '모스코븀'을 고려했으나, 이 이름들은 최종적으로 다른 원소에 사용되었다.

2016년 6월 IUPAC은 유리 오가네시안의 이름을 따서 '오가네손'(Oganesson, Og)으로 명명할 것이라고 발표했고, 2016년 11월 28일 공식 확정되었다. 오가네손의 명명은 초중원소 연구에 대한 오가네시안의 공헌을 기리기 위한 것이었다.

4. 동위 원소

오가네손의 동위 원소 중 현재까지 확인된 것은 오가네손-294(²⁹⁴Og^영어)가 유일하며, 반감기는 0.89밀리초로 매우 짧다. 그러나 이론적으로는 ²⁹³Og, ²⁹⁵Og, ²⁹⁶Og, ²⁹⁷Og, ²⁹⁸Og, ³⁰⁰Og, ³⁰²Og와 같이 더 안정적인 동위 원소들이 존재할 수 있다고 예측된다. 이들 중 ²⁹⁷Og이 가장 긴 수명을 가질 가능성이 있어, 미래 연구의 초점이 될 수 있다.

5. 물리적 및 화학적 성질 (이론적 예측)

오가네손은 18족 원소로, 다른 비활성 기체처럼 최외각 전자껍질이 7s²7p⁶ 배치로 닫혀 있다. 그러나 주기적 경향에 따르면 오가네손은 라돈보다 반응성이 클 것으로 예상되지만, 이론적 계산에 따르면 훨씬 더 반응성이 클 수 있다. 심지어 플레로븀이나 코페르니슘보다도 반응성이 높을 수 있는데, 이는 7p 소오비탈의 에너지 불안정성과 방사 방향 팽창, 그리고 7p 전자와 비활성 7s 전자 간의 큰 스핀-궤도 상호작용으로 인해 오가네손의 닫힌 껍질 안정성이 크게 감소하기 때문이다.

오가네손은 다른 비활성 기체와 달리 양의 전자 친화도를 가질 것으로 예측된다. 이는 상대적으로 안정화된 8s 에너지 준위와 불안정화된 7p_3/2 에너지 준위 때문이다. 2022년 계산에 따르면 오가네손의 전자 친화도는 0.080(6) eV로 예상된다.

오가네손은 라돈의 거의 두 배에 달하는 매우 큰 분극률을 가질 것으로 예상된다. 이로 인해 오가네손은 약 860 kJ/mol의 낮은 이온화 에너지를 가질 것으로 예상되며, 이는 카드뮴과 비슷하고 이리듐, 백금, 금보다 낮으며, 플레로븀보다는 크다. 두 번째 이온화 에너지는 약 1560 kJ/mol이어야 한다.

분자 동역학에 대한 몬테카를로 시뮬레이션에 따르면 오가네손의 녹는점은 , 끓는점은 로 예측되어, 표준 상태에서 고체일 가능성이 높다. 다른 비활성 기체로부터 추정하면, 오가네손의 끓는점은 320K에서 380K로 추정된다.

상대론적 효과는 오가네손의 핵과 전자 구름의 껍질 구조에도 강하게 영향을 미친다. 오가네손의 원자가 및 핵심 전자 부껍질은 매우 강한 스핀-궤도 분리로 인해 전자의 균질한 페르미 기체로 "확산될" 것으로 예상된다. 또한, 스핀-궤도 효과로 인해 오가네손 덩어리는 eV로 예측되는 띠 간격을 가진 반도체가 될 수 있다. 반면, 가벼운 비활성 기체는 절연체이다.

6. 화합물 (이론적 예측)

오가네손 화합물은 아직 발견되지 않았지만, 1964년부터 이론화학적 연구가 진행되었다. 오가네손은 안정적인 +2, +4의 산화 상태를 가지며, 플루오린과 결합하여 이플루오린화오가네손(OgF₂) 및 사플루오린화오가네손(OgF₄)을 생성할 수 있다. OgF₂ 생성 반응은 106 kcal/mol의 에너지를 방출한다.