운비우늄

1. 개요

운비우늄(Unbiunium, Ubu)은 아직 발견되지 않은 121번 원소의 임시 명칭이다. 핵융합 반응을 통해 초중원소 합성을 시도하며, 1977년 최초 시도가 있었으나 실패했다. 운비우늄은 초악티늄족의 첫 번째 원소로, 5g 오비탈이 채워지기 시작하며 란타넘과 유사한 화학적 성질을 가질 것으로 예측된다. UbuF 분자 계산 결과는 악티늄과 유사성을 보이며, +3의 주요 산화 상태를 가질 것으로 예상된다.

2. 역사

운비우늄(원소 121)은 현재 기술로는 발견하기 어려울 수 있다. 원소 121부터는 원자핵이 매우 짧은 시간(1마이크로초 이내)에 붕괴하여 검출 장비에 도달하기 전에 사라질 수 있기 때문이다. 이러한 짧은 반감기의 정확한 경계는 알려져 있지 않지만, 핵종 질량 예측 모델에 따라 원소 121~124번의 일부 동위원소는 합성이 가능할 수도 있다.

2.1. 합성 시도

핵융합 반응으로 초중원소를 생성하는 반응은 생성된 복합 핵의 여기 에너지에 따라 "열" 융합과 "냉" 융합으로 나눌 수 있다. 열 융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 투사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어, 고에너지 여기 에너지(~40–50 MeV)에서 복합 핵이 생성되어 여러 (3~5) 중성자를 분열하거나 증발시킬 수 있다. 냉 융합 반응에서는 생성된 융합 핵이 비교적 낮은 여기 에너지(~10–20 MeV)를 가지며, 이는 이러한 생성물이 핵분열 반응을 겪을 확률을 감소시킨다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각되면, 1~2개의 중성자만 방출하면 된다. 그러나 열 융합 반응은 악티늄족이 현재 거시적 양으로 만들 수 있는 모든 원소 중에서 가장 높은 중성자 대 양성자 비율을 가지기 때문에 더 많은 중성자 과잉 생성물을 생성하는 경향이 있다. 이것은 플레로븀 (원소 114) 이후의 초중원소를 생산하는 유일한 방법이다.

원소 119와 120을 합성하려는 시도는 현재 기술의 한계를 넘어서고 있다. 이는 생산 반응의 감소하는 반응 단면적과 마이크로초 단위일 것으로 예상되는 짧은 반감기 때문이다. 원소 121부터 시작하는 더 무거운 원소는 현재 기술로는 감지하기에는 너무 짧은 수명을 가질 것이며, 감지기에 도달하기 전에 1마이크로초 내에 붕괴될 것이다. 이 1마이크로초 반감기 경계가 어디에 있는지 알려져 있지 않으며, 이는 원소 121부터 124까지의 일부 동위원소 합성을 허용할 수 있으며, 정확한 한계는 핵종 질량을 예측하기 위해 선택한 모델에 따라 달라진다.

현재 캘리포늄 (Z = 98) 이후의 원소를 표적을 만들기에 충분한 양으로 합성하는 것이 불가능하고, 아인슈타이늄 (Z = 99) 표적이 현재 고려되고 있기 때문에, 오가네손 이후의 원소의 실질적인 합성은 티타늄-50, 크롬-54, 철-58, 또는 니켈-64와 같은 더 무거운 투사체를 필요로 한다. 그러나 이는 더 차갑고 성공할 가능성이 적은 더 대칭적인 융합 반응을 초래하는 단점이 있다. 예를 들어, ²⁴³Am과 ⁵⁸Fe 사이의 반응은 성공적인 반응에서 측정된 단면적보다 여러 자릿수 낮은 0.5 fb 정도의 단면적을 가질 것으로 예상된다. 이러한 장애물은 이것 및 유사한 반응을 운비우늄 생산에 비실용적으로 만들 것이다.

운비우늄 합성은 1977년 독일 다름슈타트에 위치한 중이온 연구소(GSI)에서 우라늄-238 표적에 구리-65 이온을 충돌시키는 시도로 처음 시도되었다.

: + → * → 원자 없음

어떤 원자도 확인되지 않았다.

2.2. 미래 합성 전망

핵융합 반응을 통해 초중원소를 생성하는 방법에는 생성된 복합 핵의 여기 에너지에 따라 "열" 융합과 "냉" 융합 두 가지가 있다. 열 융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 투사체가 악티늄족과 같은 무거운 표적을 향해 가속된다. 이로 인해 높은 여기 에너지(~40–50 MeV)에서 복합 핵이 생성되고, 여러 개(3~5)의 중성자가 증발한다. 반면, 냉 융합 반응에서는 더 무거운 투사체와 더 가벼운 표적을 사용한다. 생성된 융합 핵은 비교적 낮은 여기 에너지(~10–20 MeV)를 가지므로 핵분열 가능성이 감소하며, 융합 핵이 바닥 상태로 냉각될 때 1~2개의 중성자만 방출하면 된다. 그러나 열 융합 반응은 악티늄족이 현재 거시적 양으로 만들 수 있는 모든 원소 중에서 가장 높은 중성자 대 양성자 비율을 가지기 때문에 더 많은 중성자 과잉 생성물을 생성하는 경향이 있다. 이는 플레로븀(원소 114) 이후의 초중원소를 생산하는 유일한 방법이다.

원소 119번과 120번을 합성하려는 시도는 현재 기술의 한계에 도달했다. 이는 생산 반응의 감소하는 반응 단면적과 마이크로초 단위의 짧은 반감기 때문이다. 121번 원소부터는 현재 기술로는 감지하기에 너무 짧은 수명을 가질 것이며, 감지기에 도달하기 전에 1마이크로초 내에 붕괴될 것이다. 이 1마이크로초 반감기 경계가 어디에 있는지 알려져 있지 않아, 121번부터 124번 원소까지 일부 동위원소 합성이 가능할 수도 있다. 정확한 한계는 핵종 질량을 예측하는 모델에 따라 달라진다. 또한 120번 원소가 현재 실험 기술로 도달할 수 있는 마지막 원소이며, 121번 원소부터는 새로운 방법이 필요할 수도 있다.

캘리포늄(Z = 98) 이후의 원소는 표적을 만들기에 충분한 양으로 합성하는 것이 불가능하고, 아인슈타이늄(Z = 99) 표적이 현재 고려되고 있다. 따라서 오가네손 이후의 원소 합성은 티타늄-50, 크롬-54, 철-58, 또는 니켈-64와 같은 더 무거운 투사체를 필요로 한다. 그러나 이는 더 차갑고 성공 가능성이 적은 대칭적인 융합 반응을 초래하는 단점이 있다. 예를 들어, ²⁴³Am과 ⁵⁸Fe 사이의 반응은 성공적인 반응에서 측정된 단면적보다 현저히 낮은 0.5 fb 정도의 단면적을 가질 것으로 예상된다. 이러한 장애물은 운비우늄 생산에 이 반응과 유사한 반응을 비실용적으로 만든다.

현재 초중원소 시설의 빔 강도는 초당 약 10¹²개의 발사체가 표적에 도달하는 수준이다. 하지만 표적과 검출기를 태우지 않고는 이를 증가시킬 수 없고, 표적에 필요한 양만큼 악티늄족을 더 많이 생산하는 것은 비현실적이다. 두브나의 공동원자핵연구소(JINR) 연구팀은 개선된 검출기를 갖추고 더 작은 규모로 작업할 수 있는 새로운 초중원소 공장(SHE-factory)을 건설했지만, 120번 원소와 121번 원소를 넘어서는 것은 큰 도전이 될 것이다. 자발 핵분열에 대한 반감기가 점점 짧아지고 양성자 드립 라인이 다가옴에 따라, 새로운 초중원소를 생산하기 위한 핵융합-증발 반응의 시대가 끝나가고 있을 수 있다. 따라서 핵 전달 반응과 같은 새로운 기술이 초악티늄족에 도달하는 데 필요할 것이다.

핵융합-증발 반응의 유효 단면적은 반응의 비대칭성이 증가함에 따라 증가한다. 따라서 티타늄은 크롬보다 121번 원소 합성에 더 나은 발사체가 될 것이지만, 아인슈타이늄 표적을 필요로 한다. 아인슈타이늄-254의 높은 방사능으로 인한 표적의 심각한 가열 및 손상은 큰 어려움을 야기하지만, 그럼에도 불구하고 가장 유망한 접근 방식이 될 것이다. ²⁵⁴Es의 생산량이 적기 때문에 더 작은 규모로 작업해야 하며, 이는 가까운 미래에 두브나의 SHE-factory에서만 수행될 수 있을 것이다.

²⁵⁴Es와 ⁵⁰Ti의 반응에서 3n 및 4n 채널을 통해 생성될 수 있는 ²⁹⁹Ubu, ³⁰⁰Ubu 및 ³⁰¹Ubu 동위원소는 감지할 수 있을 만큼 충분히 긴 반감기를 가진 유일한 운비우늄 동위원소일 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고 유효 단면적은 현재 감지할 수 있는 한계를 넘어설 것이다. 예를 들어, 2016년 간행물에서 ²⁵⁴Es와 ⁵⁰Ti 간의 반응의 유효 단면적은 4n 채널에서 약 7 fb로 예측되었으며, 이는 성공적인 반응에 대해 측정된 가장 낮은 유효 단면적보다 4배 낮다. 2021년 계산에서는 이 반응의 3n 채널에 대해 10 fb, 4n 채널에 대해 0.6 fb의 유사하게 낮은 이론적 유효 단면적과 함께, ²⁴⁹Bk+⁵⁴Cr, ²⁵²Es+⁵⁰Ti, ²⁵⁸Md+⁴⁸Ca 반응에 대해 1–10 fb 정도의 유효 단면적을 제공한다. 그러나 ²⁵²Es와 ²⁵⁸Md는 현재 표적 물질을 형성할 만큼 충분한 양으로 합성할 수 없다.

이러한 반응에서 운비우늄 동위원소의 합성이 성공하면, 생성된 핵은 ²⁴⁸Cm+⁵¹V 또는 ²⁴⁹Bk+⁵⁰Ti 반응에서 교차 충격으로 생성될 수 있는 운닐엔늄 동위원소를 거쳐, ²⁴⁹Bk+⁴⁸Ca 및 ²⁴³Am+⁴⁸Ca 반응에서 합성된 테네신과 모스코븀의 알려진 동위원소까지 붕괴될 것이다. 더 무거운 동위원소가 더 안정할 것으로 예상된다. ³²⁰Ubu는 가장 안정적인 운비우늄 동위원소로 예측되지만, 현재 기술로는 이를 합성할 방법이 없으며, 사용 가능한 표적과 발사체의 조합으로는 충분한 중성자를 제공할 수 없다.

리켄과 JINR의 연구팀은 121번 원소의 합성을 미래 계획에 포함시켰다. 이 두 연구소는 예측된 유효 단면적이 매우 낮은 반응에 대해 긴 빔 시간을 사용할 수 있는 세계 유일의 연구소이므로 이러한 실험에 가장 적합하다.

3. 예측되는 성질

운비우늄은 앞선 악티늄족과 유사하게, 전례 없는 긴 전이 계열인 초악티늄족의 첫 번째 원소로 예측된다. 운비우늄의 행동은 란타넘과 악티늄과 크게 다르지 않을 것으로 보이지만, 주기율의 적용 한계를 제시할 가능성이 높다. 아우프바우 원리에 따르면, 운비우늄 원자에서 5g 부껍질이 채워지기 시작할 것으로 예상된다. 그러나 5g 오비탈의 지연된 "반경 방향" 붕괴와 유사한 상황이 운비우늄에서도 발생하여, 5g 오비탈이 일부 5g 화학적 관여가 더 일찍 시작될 수 있음에도 불구하고 약 125번 원소에서 채워지기 시작할 것으로 예측된다.

운비우늄은 상대론적 안정화로 인해 8p_1/2 오비탈을 채울 것으로 예상되며, 배치는 [Og] 8s² 8p¹이다. 그럼에도 불구하고 란타넘과 악티늄과 유사한 [Og] 7d¹ 8s² 배치는 0.412 eV에 불과한 낮은 에너지의 여기 상태일 것으로 예상되며, 운비우늄 이온의 전자 배치는 [Og]8s², [Og]8s¹, 그리고 [Og]일 것으로 예상된다. 운비우늄의 8p 전자는 매우 느슨하게 결합될 것으로 예상되므로, 예측된 이온화 에너지 4.45 eV는 운닌닐륨(4.53 eV)보다 낮으며, 칼륨에서 프랑슘까지의 알칼리 금속을 제외한 모든 알려진 원소보다 낮다.

전자 배치의 변화와 5g 껍질 사용 가능성에도 불구하고, 운비우늄은 란타넘과 악티늄과 화학적으로 크게 다르지 않을 것으로 예상된다. 2016년 운비우늄 모노플루오라이드(UbuF)에 대한 계산 결과, 이 분자 내 운비우늄의 원자가 오비탈과 악티늄 모노플루오라이드(AcF) 내 악티늄의 원자가 오비탈 사이에 유사성이 나타났다. UbuF 분자의 결합 해리 에너지, 결합 길이 및 편극성은, 모든 원소가 비활성 기체 핵 위에 세 개의 원자가 전자를 갖는 스칸듐, 이트륨, 란타넘, 악티늄을 통해 추세를 이어갈 것으로 예상된다. Ubu-F 결합은 란타넘과 악티늄 모노플루오라이드와 마찬가지로 강하고 편극될 것으로 예상된다.

UbuF 내 운비우늄의 비결합 전자는 추가 원자 또는 그룹과 결합하여, LaX₃ 및 AcX₃와 유사한 운비우늄 삼할로겐화물 UbuX₃의 형성을 초래할 것으로 예상된다. 따라서 운비우늄 화합물에서 운비우늄의 주요 산화 상태는 +3이 될 것이지만, 원자가 부껍질의 에너지 준위가 가깝기 때문에 119번 및 120번 원소에서와 마찬가지로 더 높은 산화 상태가 허용될 수 있다. Ubu³⁺ → Ubu 커플에 대한 표준 전극 전위는 −2.1 V로 예측된다.
바닥 상태의 전자 배치에 처음으로 g 전자(G 껍질)가 등장하는 최초의 G 블록 원소이다.
란타넘이나 악티늄과도 다른, 기존의 전이 원소나 f 블록 원소에서 찾아볼 수 없는 미지의 성질을 가질 것으로 예상되며, 주로 계산 화학 분야에서 다루어진다.