초우라늄 원소

3. 초우라늄 원소의 발견

원자 번호 92번 우라늄(U)까지의 원소 대부분은 자연에서 발견되지만, 그보다 원자 번호가 높은 원소, 즉 초우라늄 원소는 대부분 인공적으로 합성해야만 얻을 수 있다. 넵투늄(Np, 원자 번호 93)과 플루토늄(Pu, 원자 번호 94)은 우라늄 광석 내에서 중성자 포획과 베타 붕괴 과정을 통해 극미량이 자연적으로 생성되기도 하지만^[1], 그 외의 초우라늄 원소들은 자연 상태에서는 거의 존재하지 않는다.

이는 초우라늄 원소들이 모두 방사성이며, 반감기가 지구의 나이에 비해 매우 짧기 때문이다. 설령 지구 형성 초기에 존재했다 하더라도 이미 오래전에 모두 붕괴하여 사라졌을 것으로 추정된다. 따라서 플루토늄보다 무거운 원소들은 전적으로 원자로나 입자 가속기를 이용한 인공 합성을 통해 발견되고 생산된다. 이러한 과정은 기술적으로 매우 어렵고 비용이 많이 들며, 원자 번호가 증가할수록 생산 비용은 급격히 상승하는 경향을 보인다.^[2][3] 아인슈타이늄(Es, 원자 번호 99)은 현재까지 거시적인 양으로 생산된 가장 무거운 원소로 알려져 있다.^[4]

초우라늄 원소의 발견은 주로 20세기 중반 이후 몇몇 선진국의 연구 기관들을 중심으로 이루어졌다. 현재까지 초우라늄 원소 발견을 주도한 주요 연구소로는 미국의 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL), 러시아의 핵물리학 합동연구소(JINR), 독일의 헬름홀츠 중이온 연구소(GSI), 그리고 일본의 이화학 연구소(RIKEN) 등이 있다.

새롭게 발견되었거나 아직 공식적인 이름이 정해지지 않은 초우라늄 원소는 IUPAC에서 정한 체계적 원소 이름 규칙에 따라 임시 이름과 기호를 사용한다. 과거, 특히 냉전 시기에는 새로운 원소의 발견 우선권과 명칭을 둘러싸고 연구 기관 및 국가 간에 논쟁이 벌어지기도 했다.

3. 1. 발견의 역사

• 미국 로렌스 버클리 국립 연구소 (LBNL): 원소 93~101, 106 발견 및 103~105 공동 발견
• 러시아 핵물리학 합동연구소 (JINR): 원소 102, 114~118 발견 및 103~105 공동 발견
• 독일 헬름홀츠 중이온 연구소 (GSI): 원소 107~112 발견
• 일본 이화학 연구소 (RIKEN): 원소 113 발견

아직 발견되지 않았거나 발견되었지만 공식적으로 명명되지 않은 초우라늄 원소는 IUPAC의 체계적 원소 이름 규칙에 따라 임시 이름과 기호를 사용한다. 과거, 특히 냉전 시대에는 새로운 원소의 발견 우선권과 명칭을 둘러싸고 연구 기관 및 국가 간에 논쟁이 벌어지기도 했다. 대표적으로 원소 102번부터 106번까지의 명명 과정에서 미국과 소련 연구팀 간의 갈등이 있었으며, 이는 IUPAC의 중재를 통해 정리되었다.

3. 2. 주요 연구 기관

• 로렌스 버클리 국립 연구소 (LBNL, 미국): 캘리포니아 대학교 버클리의 방사선 연구소(현 LBNL)는 1945년부터 1974년까지 에드윈 매클밀란, 글렌 시보그, 앨버트 기오르소 등의 주도로 다수의 초우라늄 원소를 발견했다.
• 93번 넵투늄(Np, 1940): 해왕성의 이름을 땄다.
• 94번 플루토늄(Pu, 1940): 명왕성의 이름을 땄다.
• 95번 아메리슘(Am, 1944): 발견된 대륙인 아메리카의 이름을 땄다.
• 96번 퀴륨(Cm, 1944): 피에르 퀴리와 마리 퀴리 부부의 이름을 땄다.
• 97번 버클륨(Bk, 1949): 연구소가 위치한 캘리포니아주 버클리의 이름을 땄다.
• 98번 캘리포늄(Cf, 1950): 연구소가 위치한 캘리포니아주의 이름을 땄다.
• 99번 아인슈타이늄(Es, 1952): 알베르트 아인슈타인의 이름을 땄다.
• 100번 페르뮴(Fm, 1952): 엔리코 페르미의 이름을 땄다.
• 101번 멘델레븀(Md, 1955): 드미트리 멘델레예프의 이름을 땄다.
• 102번 노벨륨(No, 1958): 스웨덴 노벨 연구소의 초기 발견 주장은 사실이 아니었으나, LBNL은 알프레드 노벨의 이름을 딴 '노벨륨' 명칭을 채택했다. 핵물리학 합동연구소(JINR)도 발견을 주장하며 '졸리오튬'(Jl)을 제안했으나, IUPAC은 JINR이 최초로 합성했다고 결론지으면서도(1965) 문헌에 널리 사용된 '노벨륨'이라는 이름을 유지했다.
• 103번 로렌슘(Lr, 1961): 사이클로트론 개발자 어니스트 로렌스의 이름을 땄다. JINR도 발견을 주장하며(1965) '러더퍼듐'(Rf)을 제안했다. IUPAC은 공동 발견으로 결론짓고, 문헌에 널리 사용된 '로렌슘'이라는 이름을 유지했다.
• 104번 러더퍼듐(Rf, 1969): 원자핵 개념을 확립한 어니스트 러더퍼드의 이름을 땄다. JINR도 발견을 주장하며 이고리 쿠르차토프의 이름을 딴 '쿠르차토븀'(Ku)이라고 명명했다. IUPAC은 공동 발견으로 결론짓고, LBNL이 제안한 '러더퍼듐'을 채택했다.
• 105번 더브늄(Db, 1970): LBNL은 오토 한을 기리기 위해 '하늄'(Ha)이라고 명명했고, JINR은 닐스 보어의 이름을 딴 '닐스보륨'(Ns)이라고 명명하며 발견을 주장했다. IUPAC은 공동 발견으로 결론짓고, JINR 연구소를 기리기 위해 원소 이름을 연구소가 위치한 두브나의 이름을 딴 '더브늄'으로 변경했다.
• 106번 시보귬(Sg, 1974): 글렌 시보그의 이름을 땄다. 시보그가 당시 생존해 있었기 때문에 논란이 있었으나, 결국 국제 화학계에서 받아들여졌다. JINR도 이 원소의 발견을 주장했다. IUPAC은 버클리 연구팀이 이 원소를 최초로 합성했다고 결론지었다.

• 핵물리학 합동연구소 (JINR, 러시아): 러시아 두브나에 위치한 JINR은 게오르기 플료로프, 유리 오가네시안 등의 주도로 여러 초우라늄 원소를 발견했으며, 특히 최근 원소들은 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 등 여러 연구소와의 공동 연구를 통해 발견했다.
• 102번 노벨륨(No): LBNL과 발견 주장이 있었으나, IUPAC은 JINR의 최초 합성을 인정했다(1965).
• 103번 로렌슘(Lr): LBNL과 공동 발견으로 인정받았다(1965).
• 104번 러더퍼듐(Rf): LBNL과 공동 발견으로 인정받았다. JINR은 '쿠르차토븀'(Ku)을 제안했었다.
• 105번 더브늄(Db): LBNL과 공동 발견으로 인정받았으며, JINR 연구소를 기리는 명칭이 채택되었다. JINR은 '닐스보륨'(Ns)을 제안했었다.
• 106번 시보귬(Sg): 발견을 주장했으나 LBNL의 공로가 인정되었다.
• 107번 보륨(Bh): 발견을 주장했으나 GSI의 공로가 인정되었다.
• 108번 하슘(Hs): 발견을 주장했으며, IUPAC은 GSI의 최초 합성을 인정하면서도 JINR의 선구적인 연구를 인정했다.
• 114번 플레로븀(Fl, 1999): JINR의 설립자인 소련 물리학자 게오르기 플료로프의 이름을 땄다.^[11] (LLNL 등과 공동 연구)
• 115번 모스코븀(Mc, 2004): 연구소가 위치한 모스크바주의 이름을 땄다. (LLNL 등과 공동 연구)
• 116번 리버모륨(Lv, 2000): 공동 연구 기관인 로렌스 리버모어 국립 연구소의 이름을 땄다.^[12] (LLNL 등과 공동 연구)
• 117번 테네신(Ts, 2010): 합성에 필요한 버클륨 표적이 제조된 테네시주의 이름을 땄다. (LLNL, 오크리지 국립 연구소 등과 공동 연구)
• 118번 오가네손(Og, 2002): 원소 114~118의 발견에 JINR 연구팀을 이끈 유리 오가네시안의 이름을 땄다.^[13] (LLNL 등과 공동 연구)

• 헬름홀츠 중이온 연구소 (GSI, 독일): 독일 헤센주 다름슈타트에 위치한 GSI는 고트프리트 뮌첸베르크, 페터 아름브루스터, 지그루트 호프만 등의 주도로 1980년대부터 2000년대 초반까지 여러 초우라늄 원소를 발견했다.
• 107번 보륨(Bh, 1981): 원자 구조를 밝히는 데 중요한 역할을 한 덴마크 물리학자 닐스 보어의 이름을 따서 명명했다. JINR도 이 원소의 발견을 주장했다. IUPAC은 GSI가 이 원소를 최초로 합성했다고 결론지었다. GSI 연구팀은 원소 105의 명명 분쟁을 해결하기 위해 원래 '닐스보륨'(Ns)을 제안했지만, IUPAC에 의해 변경되었다.
• 108번 하슘(Hs, 1984): 이 연구가 수행된 독일의 연방주 헤센의 라틴어 형태를 따서 명명했다. JINR도 이 원소의 발견을 주장했다. IUPAC은 GSI가 이 원소를 최초로 합성했다고 결론지었지만, JINR의 선구적인 연구를 인정했다.
• 109번 마이트너륨(Mt, 1982): 핵분열을 연구한 최초의 과학자 중 한 명인 오스트리아 물리학자 리제 마이트너의 이름을 따서 명명했다.
• 110번 다름슈타튬(Ds, 1994): 이 연구가 수행된 독일 다름슈타트시의 이름을 따서 명명했다. JINR도 이 원소의 발견을 주장했고, 앙리 베크렐의 이름을 딴 '베크렐륨'을 제안했다. LBNL도 '하늄'을 제안했다. IUPAC은 GSI가 이 원소를 최초로 합성했다고 결론지었다.
• 111번 뢴트게늄(Rg, 1994): X선을 발견한 빌헬름 뢴트겐의 이름을 따서 명명했다.
• 112번 코페르니슘(Cn, 1996): 천문학자 니콜라우스 코페르니쿠스의 이름을 따서 명명했다.

• 이화학 연구소 (RIKEN, 일본): 일본 사이타마현 와코시에 위치한 RIKEN은 모리타 고스케가 이끄는 연구팀이 아시아 국가 최초로 초우라늄 원소를 발견했다.
• 113번 니호늄(Nh, 2004): 이 원소가 발견된 일본의 이름을 따서 명명했다. JINR도 이 원소의 발견을 주장했다. IUPAC은 RIKEN이 이 원소를 최초로 합성했다고 결론지었다.

4. 초우라늄 원소의 특징

원자 번호 93 이상, 즉 넵투늄(Np)부터 시작하는 원소들을 초우라늄 원소라고 한다. 이들은 넵투늄과 플루토늄(Pu)을 제외하고는 자연에서 거의 발견되지 않으며, 대부분 원자로나 입자 가속기를 이용한 인공 합성을 통해 만들어진다. 모든 초우라늄 원소는 방사성을 띤다.

초우라늄 원소는 생산 과정이 매우 어렵고 비용이 많이 든다. 원자 번호가 커질수록 생산 비용은 급격히 증가하는 경향을 보인다. 예를 들어, 2008년 기준으로 무기급 플루토늄은 그램당 약 4천달러^[2]였지만, 캘리포늄(Cf)은 그램당 6000만달러를 초과했다.^[3] 현재까지 아인슈타이늄(Es)이 거시적인 양으로 생산된 가장 무거운 원소로 알려져 있다.^[4]

아직 발견되지 않았거나 공식적인 이름이 정해지지 않은 초우라늄 원소에는 IUPAC의 체계적 원소 이름 명명법이 적용된다. 과거 냉전 시대에는 일부 초우라늄 원소의 발견과 명명을 둘러싸고 국가 간 논쟁이 발생하기도 했다.

4. 1. 방사성 붕괴

4. 2. 안정성의 섬

5. 초우라늄 원소의 응용

초우라늄 원소는 더 무거운 초중원소 합성을 위한 표적으로 사용되거나,^[7] 아메리슘처럼 연기 감지기 등에 활용되기도 한다.^[9][10] 또한 이론적으로 예측되는 안정성의 섬 원소의 경우 핵무기 개발 등 군사적 응용 가능성도 제기된다.^[8] 그러나 현재까지 발견된 초우라늄 원소들은 대부분 반감기가 매우 짧아 실용적인 활용 및 연구에 한계가 있다.^[5][6]

5. 1. 현재의 응용

5. 2. 잠재적 응용

참조

_[1] 서적 Van Nostrand's Scientific Encyclopedia Wiley Interscience
_[2] 웹사이트 Price of Plutonium https://hypertextboo[...] The Physics Factbook 2008
_[3] 보고서 Applications and Availability of Californium-252 Neutron Sources for Waste Characterization https://archive.org/[...] 2001
_[4] 서적 The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Springer Science+Business Media
_[5] 학술지 Quest for superheavy nuclei https://www.europhys[...]
_[6] 학술지 Recent developments concerning the discovery of elements 100–111 https://old.iupac.or[...]
_[7] 학술지 Search for superheavy elements using ⁴⁸Ca + ²⁵⁴Es^g reaction 1985
_[8] 서적 The Physical Principles of Thermonuclear Explosives, Intertial Confinement Fusion, and the Quest for Fourth Generation Nuclear Weapons https://cryptome.org[...] International Network of Engineers and Scientists Against Proliferation
_[9] 간행물 Smoke Detectors and Americium http://www.uic.com.a[...] 2015-08-26
_[10] 웹사이트 Nuclear Data Viewer 2.4 http://www.nndc.bnl.[...] NNDC
_[11] 웹사이트 News: Start of the Name Approval Process for the Elements of Atomic Number 114 and 11 http://www.iupac.org[...] IUPAC 2011-12-04
_[12] 웹사이트 News: Start of the Name Approval Process for the Elements of Atomic Number 114 and 116 http://www.iupac.org[...] IUPAC 2011-12-04
_[13] 학술지