코페르니슘 동위 원소
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1. 개요
코페르니슘은 자연에서 발견되지 않으며, 인공적인 핵반응을 통해 생성되는 초중원소이다. 현재까지 코페르니슘의 6가지 동위 원소가 확인되었으며, 가장 안정적인 동위 원소는 반감기가 29초인 285Cn이다. 코페르니슘은 주로 입자 가속기에서 더 가벼운 원소를 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 합성되며, 저온 및 고온 핵융합 반응을 통해 생성될 수 있다. 코페르니슘 동위 원소는 플레로븀의 붕괴 생성물로도 관찰된다.
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2. 동위 원소
코페르니슘은 자연에 존재하지 않으며, 인공적인 핵반응을 통해서만 얻을 수 있다.[42]
핵종 기호 | Z(p) | N(n) | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식 | 붕괴 생성물 | 핵 스핀 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
277Cn | 112 | 165 | 277.16364(15)# | 1.1(7) ms [0.69(+69-24) ms] | α | 273Ds | 3/2+# |
281Cn | 112 | 169 | 281.16975(42)# | 0.1 s | α | 277Ds | 3/2+# |
282Cn | 112 | 170 | 282.1705(7)# | 0.8 ms | SF | 다양 | 0+ |
283Cn | 112 | 171 | 283.17327(65)# | 4 s | α (90%) | 279Ds | rowspan=2| |
SF (10%) | 다양 | ||||||
284Cn | 112 | 172 | 284.17416(91)# | 97 ms | SF | 다양 | 0+ |
285Cn | 112 | 173 | 285.17712(60)# | 29 s | α | 281Ds | 5/2+# |
2. 1. 핵합성
코페르니슘은 초중원소로, 입자 가속기에서 더 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 일으켜 생성된다. 대부분의 코페르니슘 동위 원소는 이 방법으로 직접 합성되지만, 일부 더 무거운 동위 원소는 원자 번호가 더 높은 원소가 붕괴하면서 만들어지는 것으로만 관찰된다.[12]핵융합 반응은 관련된 에너지에 따라 "고온"과 "저온"으로 나뉜다. 고온 핵융합에서는 매우 가볍고 에너지가 높은 입자를 악티늄족처럼 무거운 표적에 충돌시켜 높은 들뜬 에너지(~40–50 MeV)를 갖는 복합핵을 만든다. 이 복합핵은 핵분열을 하거나 여러 개의(3~5개) 중성자를 방출한다.[12] 저온 핵융합에서는 만들어진 융합 핵이 비교적 낮은 들뜬 에너지(~10–20 MeV)를 가지므로 핵분열 반응을 할 확률이 줄어든다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각되면서 1~2개의 중성자만 방출하면 되기 때문에 중성자가 더 많은 생성물을 만들 수 있다.[13]
다음 표는 ''Z'' = 112인 복합핵을 형성하는 데 사용 가능한 표적과 발사체의 조합을 나타낸다.
표적 | 발사체 | CN | 시도 결과 |
---|---|---|---|
184W | 88Sr | 272Cn | |
208Pb | 68Zn | 276Cn | |
208Pb | 70Zn | 278Cn | |
233U | 48Ca | 281Cn | |
234U | 48Ca | 282Cn | |
235U | 48Ca | 283Cn | |
236U | 48Ca | 284Cn | |
238U | 48Ca | 286Cn | |
244Pu | 40Ar | 284Cn | |
250Cm | 36S | 286Cn | |
248Cm | 36S | 284Cn | |
252Cf | 30Si | 282Cn |
2. 1. 1. 저온 핵융합
코페르니슘을 생성하는 최초의 핵융합 반응은 1996년 독일 중이온 가속기 연구소(GSI)에서 수행되었으며, 코페르니슘-277의 두 개의 붕괴 사슬을 감지했다고 보고했다.[15]: + → +
2000년 데이터 검토에서 첫 번째 붕괴 사슬은 철회되었다. 같은 해, GSI는 이 반응을 반복하여 또 다른 원자를 합성했다. 2002년에는 1n 여기 함수를 측정하려 했으나 아연-70 빔에 문제가 발생했다. 2004년 RIKEN에서 코페르니슘-277의 발견을 비공식적으로 확인했으며, 연구자들은 추가로 두 개의 동위원소 원자를 감지하고 전체 사슬에 대한 붕괴 데이터를 확인했다.[16] 이 반응은 1971년 러시아 두브나의 공동원자핵연구소에서 2n 채널을 통해 276Cn을 생성하려는 시도로 이전에 수행되었으나 성공하지 못했다.[17]
1997년 GSI 팀은 코페르니슘-277의 성공적인 합성에 이어, 아이소스핀(중성자 풍부도)이 화학적 수율에 미치는 영향을 연구하기 위해 68Zn 투사체를 사용한 반응을 수행했다.
: + → + x
이 실험은 니켈-62 및 니켈-64 이온을 사용한 다름슈타튬 동위원소 합성 과정에서 수율 증가가 발견된 후 시작되었다. 그러나 코페르니슘-275의 붕괴 사슬은 감지되지 않았고, 1.2 pb (피코반)의 단면적 한계가 측정되었다. 아연-70 반응의 수율을 0.5 pb로 수정해도 이 반응과 유사한 수율을 배제할 수는 없다.
다음 표는 코페르니슘 동위 원소를 직접 생성하는 차가운 핵융합 반응의 단면적과 여기 에너지를 나타낸다. 굵은 글씨는 여기 함수 측정에서 파생된 최대값을 나타내며, '+'는 관찰된 출구 채널을 의미한다.
발사체 | 표적 | CN | 1n | 2n | 3n | |
---|---|---|---|---|---|---|
70Zn | 208Pb | 278Cn | 0.5 pb, 10.0, 12.0 MeV + | |||
68Zn | 208Pb | 276Cn | <1.2 pb, 11.3, 12.8 MeV |
2. 1. 2. 고온 핵융합
1998년 러시아 두브나의 플레로프 핵반응 연구소(FLNR) 연구팀은 우라늄-238 표적과 칼슘-48 발사체를 사용하는 고온 핵융합 반응을 통해 코페르니슘-283을 합성했다고 주장했다.[18] 이 생성물은 5분의 반감기를 가지며 자발 핵분열을 통해 붕괴한다고 보고되었으나,[18] 이후 실험에서 재현되지 않아 논란이 있었다. 2000년, 두브나의 유리 유카셰프는 이 실험을 반복했지만 5분 반감기의 자발 핵분열 현상을 관찰할 수 없었다. 2001년에 다시 실험을 진행하여 저온 구역에서 자발 핵분열로 인한 8개의 단편이 축적되어, 코페르니슘이 라돈과 유사한 성질을 가지고 있음을 시사했지만, 이러한 결과에 대한 의문이 제기되었다. 2003년 1월에 같은 팀이 이 반응을 다시 반복하여 붕괴 모드와 반감기를 확인하였고, 자발 핵분열 활성의 질량을 ~285로 추정하여 할당을 뒷받침했다.[19]2002년, 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL) 팀은 이 반응을 수행했지만, 자발 핵분열을 감지할 수 없었고, 단일 사건 감지에 대한 단면적 한계를 1.6 pb로 계산했다.[20] 2003년부터 2004년까지 두브나 팀은 두브나 가스 충전 반동 분리기(DGFRS)를 사용하여 다시 실험을 진행했다. 이번에는 코페르니슘-283이 4초의 반감기를 가진 9.53 MeV 알파 입자 방출을 통해 붕괴하는 것으로 밝혀졌으며, 코페르니슘-282 또한 4n 채널(4개의 중성자 방출)에서 관찰되었다.[21]
2003년, GSI 팀은 화학 실험에서 5분 SF 활성을 검색했다. 두브나 팀과 마찬가지로 저온 구역에서 7개의 SF 단편을 감지했지만, 이러한 SF 현상은 상관관계가 없었고, 코페르니슘 핵의 직접 SF에서 기인한 것이 아님을 시사하며 라돈과 유사한 성질에 대한 원래 지표에 의문을 제기했다.[22] 2004년 9월, GSI 팀은 다시 실험을 진행하여 SF 현상을 감지할 수 없었고, 단일 사건 감지에 대한 단면적 한계를 ~1.6 pb로 계산했다.
2005년 5월, GSI는 물리적 실험을 수행하여 짧은 반감기로 붕괴되는 단일 283Cn 원자를 확인하여 이전에 알려지지 않은 SF 분기를 시사했다.[23] 그러나 두브나 팀의 초기 연구에서는 몇 가지 직접 SF 현상을 감지했지만, 부모 알파 붕괴가 누락되었다고 가정했고, 이러한 결과는 이것이 사실이 아님을 나타냈다.
2006년, PSI–FLNR 공동 실험을 통해 코페르니슘-283에 대한 새로운 붕괴 데이터가 확인되었다. 두 개의 코페르니슘-283 원자가 모체 플레로븀-287 핵의 붕괴에서 관찰되었다. 이 실험은 코페르니슘이 전형적인 12족 원소처럼 행동하며 휘발성 금속의 성질을 나타냄을 시사했다.[24]
2007년 1월, GSI 팀은 물리적 실험을 성공적으로 반복하여 세 개의 코페르니슘-283 원자를 감지하여 알파 및 SF 붕괴 모드를 모두 확인했다.[25]
이러한 이유로, 5분 SF 활성은 여전히 확인되지 않았고, 식별되지 않았다. 이는 이성질체, 즉 정확한 생성 방법에 따라 수율이 달라지는 코페르니슘-283b를 나타낼 수 있다. 또한, 이는 283Cn에서 283Rg로 이어지는 전자 포획 분기의 결과일 수 있으며, 이는 부모를 287Nh (287Fl의 전자 포획 딸)로 재할당해야 한다.[33]
2004년, FLNR 팀은 다음 반응을 연구했지만, 코페르니슘 원자를 감지할 수 없었고, 단면적 한계를 0.6 pb로 계산했다.
: + → + x
이 팀은 이것이 화합물 핵의 중성자 질량수가 증발 잔류물의 수율에 영향을 미친다는 것을 나타낸다고 결론 내렸다.[21]
코페르니슘 동위 원소를 직접 생성하는 핫 융합 반응의 단면적과 여기 에너지는 아래 표와 같다. 굵은 글씨체로 표시된 데이터는 여기 함수 측정에서 파생된 최댓값을 나타내며, +는 관찰된 방출 채널을 나타낸다.
발사체 | 표적 | CN | 3n | 4n | 5n | |
---|---|---|---|---|---|---|
48Ca | 238U | 286Cn | 2.5 pb, 35.0 MeV + | 0.6 pb | ||
48Ca | 233U | 281Cn | <0.6 pb, 34.9 MeV |
2. 1. 3. 붕괴 생성물
코페르니슘은 플레로븀의 붕괴 생성물로 관찰되기도 한다. 플레로븀의 동위 원소들은 알파 붕괴를 거쳐 코페르니슘 핵이 된다.[30]
예를 들어 2006년 5월, 두브나 팀(JINR)은 오가네손의 알파 붕괴 연쇄를 통해 코페르니슘-282를 최종 생성물로 확인했다. 최종 핵종은 자발 핵분열을 겪는다는 것이 밝혀졌다.[31]
: → +
: → +
: → +
2. 2. 핵 이성질체
코페르니슘-283(283Cn) 초기 합성 실험에서는 반감기가 약 5분인 자발 핵분열(SF) 활동이 관찰되었다.[30] 이 활동은 플레로븀-287의 알파 붕괴에서도 관찰되었으며, 붕괴 방식과 반감기는 첫 번째 실험을 반복하여 확인되었다. 이후 코페르니슘-283은 9.52 MeV 알파 붕괴와 반감기 3.9초의 자발 핵분열을 겪는 것으로 관찰되었다. 또한 코페르니슘-283의 알파 붕괴가 다름슈타튬-279의 서로 다른 여기 상태로 이어진다는 것도 밝혀졌다.[21] 이러한 결과는 두 활성을 코페르니슘-283의 두 가지 다른 이성질체 준위에 할당하여 코페르니슘-283a와 코페르니슘-283b를 생성하는 것을 시사한다. 이 결과는 모핵종 287Fl의 전자 포획 분기가 287Nh로 이어져 더 긴 수명의 활성이 283Rg에 할당될 수 있기 때문일 수도 있다.[33]코페르니슘-285(285Cn)는 플레로븀-289와 리버모륨-293의 붕괴 생성물로만 관찰되었다. 플레로븀 최초 합성 기록 동안 플레로븀-289 하나가 생성되었고, 이는 알파 붕괴하여 코페르니슘-285가 되었으며, 이 자체는 29초 만에 9.15 또는 9.03 MeV를 방출하는 알파 입자를 방출했다.[21] 그러나 리버모륨을 성공적으로 합성한 첫 번째 실험에서 리버모륨-293이 생성되었을 때, 생성된 핵종이 플레로븀-289로 알파 붕괴했으며, 이 붕괴 데이터는 알려진 값과 크게 달랐다. 아직 확인되지 않았지만, 이는 이성질체와 관련이 있을 가능성이 매우 높다. 결과적으로 생성된 핵종은 약 10분의 반감기로 8.586 MeV를 방출하는 알파 입자를 방출하는 코페르니슘-285로 붕괴했다. 모핵종과 유사하게, 핵 이성질체 코페르니슘-285b로 여겨진다.[34] 초기 244Pu+48Ca 실험과 관련된 낮은 빔 에너지로 인해, 2n 채널에 도달하여 289Fl 대신 290Fl을 생성했을 수 있다. 이어서 감지되지 않은 전자 포획을 290Nh로 겪을 수 있으며, 따라서 이 활성은 알파 딸핵종 286Rg로 재할당된다.[35]
2. 3. 동위 원소 목록
현재까지 발견된 코페르니슘 동위 원소의 목록과 그 특성은 아래 표와 같다.[42]핵종 기호 | Z(p) | N(n) | 동위 원소 질량 (u) | 반감기 | 붕괴 방식 | 붕괴 생성물 | 핵 스핀 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
277Cn | 112 | 165 | 277.16364(15)# | 1.1(7) ms [0.69(+69-24) ms] | α | 273Ds | 3/2+# |
281Cn | 112 | 169 | 281.16975(42)# | 0.1 s | α | 277Ds | 3/2+# |
282Cn | 112 | 170 | 282.1705(7)# | 0.8 ms | SF | 다양 | 0+ |
283Cn | 112 | 171 | 283.17327(65)# | 4 s | α (90%) | 279Ds | rowspan=2| |
SF (10%) | 다양 | ||||||
284Cn | 112 | 172 | 284.17416(91)# | 97 ms | SF | 다양 | 0+ |
285Cn | 112 | 173 | 285.17712(60)# | 29 s | α | 281Ds | 5/2+# |
참조
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[10]
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Not directly synthesized, created as decay product of 294Lv
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This isotope is unconfirmed
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Formation of superheavy nuclei in cold fusion reactions
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Influence of entrance channels on formation of superheavy nuclei in massive fusion reactions
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Influence of the neutron numbers of projectile and target on the evaporation residue cross sections in hot fusion reactions
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Production of new superheavy Z=108-114 nuclei with 238U, 244Pu and 248,250Cm targets
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문서
약자
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문서
확인되지 않은 이성질핵
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