하슘 동위 원소

1. 개요

하슘은 원자 번호 108번의 인공적인 원소로, 현재까지 12개의 방사성 동위 원소가 발견되었다. 이들 동위 원소는 질량수가 263부터 277까지 다양하며, 대부분 알파 붕괴를 통해 붕괴한다. 일부는 자발 핵분열을 하거나, 핵 이성질체를 갖기도 한다. 하슘 동위 원소는 입자 가속기를 이용한 핵융합 반응이나, 더 무거운 원소의 붕괴를 통해 생성되며, 특히 ²⁷⁰Hs는 변형된 이중 마법 핵으로, 핵 구조 연구에 중요한 대상이다.

2. 동위 원소

하슘은 현재까지 ²⁶³Hs부터 ²⁷⁷Hs까지 12개의 동위 원소가 발견되었으며, 모두 방사성을 띤다. 이들 중 일부는 준안정 상태(핵 이성질체)로 존재하기도 한다.

2.1. 주요 동위 원소

2.2. 핵 이성질체

하슘 동위 원소 중에는 들뜬 상태의 핵 이성질체가 존재한다. ^265mHs, ^266mHs, ^267mHs, ^277mHs 등이 이에 해당하며, 이들은 바닥 상태보다 높은 에너지 준위를 가진다.

* ^265mHs: 300(70) keV의 에너지를 가지며, 360(150) µs의 반감기로 알파 붕괴하여 ²⁶¹Sg이 된다.
* ^266mHs: 1100(70) keV의 에너지를 가지며, 280(220) ms의 반감기로 알파 붕괴하여 ²⁶²Sg이 된다.
* ^267mHs: 39(24) keV의 에너지를 가지며, 990(90) µs의 반감기로 알파 붕괴하여 ²⁶³Sg이 된다.
* ^277mHs: 100(100) keV의 에너지를 가지며, 130(100) s의 반감기로 자발 핵분열한다.

이러한 핵 이성질체들은 감마 붕괴를 통해 바닥 상태로 돌아가거나, 알파 붕괴 또는 자발 핵분열을 통해 다른 핵종으로 붕괴한다.

²⁶⁹Hs, ²⁶⁷Hs, ²⁶⁵Hs의 경우에도 핵 이성질체의 존재 가능성이 제기되고 있으며, 이를 확인하기 위한 추가 연구가 필요하다.

3. 하슘의 합성

하슘은 자연적으로 존재하지 않기 때문에, 인공적인 핵반응을 통해 합성해야 한다. 하슘과 같은 초우라늄 원소들은 입자 가속기에서 더 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성된다. 대부분의 하슘 동위 원소들은 이런 방식으로 직접 합성될 수 있지만, 일부 더 무거운 동위 원소들은 더 높은 원자 번호를 가진 원소들의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.

핵융합은 관여된 에너지에 따라 "열" 핵융합과 "냉" 핵융합으로 구분된다. 열 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 발사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어, 높은 여기 에너지(~40–50 MeV)를 가진 복합 핵이 생성되며, 이 핵은 핵분열하거나 여러 개의 (3~5개) 중성자를 증발시킬 수 있다.

3.1. 냉융합

냉융합은 상대적으로 가벼운 원자핵들을 낮은 에너지에서 충돌시켜 새로운 원자핵을 만드는 방법이다. 열핵융합 반응과 달리, 냉융합 반응에서 생성된 융합 핵은 비교적 낮은 여기 에너지(~10–20 MeV)를 가지므로, 핵분열 반응을 겪을 확률이 낮아진다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각될 때, 한두 개의 중성자만 방출하면 되기 때문에, 더 많은 중성자를 가진 생성물을 만들 수 있다.

1978년, 러시아 두브나에 있는 공동원자핵연구소(JINR)의 과학자들은 납-208({{nobold^영어)에 철-58({{nobold^영어)를 충돌시켜 하슘을 합성하려는 시도를 했지만, 하슘 원자는 확인되지 않았다. 1984년에 실험을 반복하여 시보르기움-260({{nobold^영어)으로 할당된 자발 핵분열 방사능을 검출했다. 이후, 아인슈타이늄-253(²⁵³Es^영어)와 페르뮴-253(²⁵³Fm^영어)의 알파 붕괴를 감지하여 원소 108번, 즉 하슘의 합성을 확인했다.

1984년, GSI팀은 납-208({{nobold^영어)과 철-58({{nobold^영어)의 반응을 통해 하슘-265(²⁶⁵Hs^영어)의 3개 원자를 식별했다. 1994년에는 하슘-265(²⁶⁵Hs^영어) 75개 원자와 하슘-264(²⁶⁴Hs^영어) 2개 원자를 검출했으며, 1997년에는 20개의 하슘-265(²⁶⁵Hs^영어) 원자를 추가로 검출했다. 이 실험은 2002년 RIKEN(10개 원자)과 2003년 GANIL(7개 원자)에서 성공적으로 반복되었다. RIKEN팀은 2008년에 하슘-264(²⁶⁴Hs^영어)의 분광학적 연구를 수행하고, 하슘-265(²⁶⁵Hs^영어)의 29개 원자를 추가로 검출했다.

두브나 팀은 1984년에 납-207({{nobold^영어)과 철-58({{nobold^영어)의 반응을 통해 시보르기움-260(²⁶⁰Sg^영어)의 자발 핵분열 방사능을 감지했다. GSI팀은 1986년에 이 반응을 연구하여 하슘-264(²⁶⁴Hs^영어)의 단일 원자를 식별했고, 1994년에는 하슘-264(²⁶⁴Hs^영어)의 알파 붕괴와 자발 핵분열을 모두 측정했다. 2008년 RIKEN은 하슘-264(²⁶⁴Hs^영어)의 11개 원자를 검출하여 분광학적 연구를 수행했다.

2008년, RIKEN팀은 납-206({{nobold^영어)과 철-58({{nobold^영어) 반응을 통해 새로운 동위 원소인 하슘-263(²⁶³Hs^영어)의 8개 원자를 식별했다. 같은 해, 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)팀은 납-208({{nobold^영어)과 철-56({{nobold^영어) 반응을 통해 하슘-263(²⁶³Hs^영어)의 6개 원자를 식별했으며, RIKEN팀도 몇 달 후 동일한 반응에 대한 결과를 발표했다.

1983년, 두브나 팀은 비스무트-209({{nobold^영어)와 망가니즈-55({{nobold^영어)의 반응을 통해 러더포듐-255(²⁵⁵Rf^영어)의 자발 핵분열 방사능을 감지했다. 1984년 반복 실험에서도 동일한 결과를 얻었으며, 페르뮴 동위 원소의 알파 붕괴를 통해 하슘 합성을 뒷받침했다. 그러나 이 반응은 이후 시도되지 않았고, 하슘-262(²⁶²Hs^영어)는 확인되지 않았다.

다음은 냉융합 반응의 단면적(cross section)을 나타낸 표이다.

3.2. 열융합

열핵융합은 매우 가볍고 고에너지의 발사체를 매우 무거운 표적(악티늄족)에 가속하여 높은 여기 에너지를 가진 복합 핵을 생성하는 방법이다. 이 복합 핵은 핵분열을 하거나 여러 개의 (3~5개) 중성자를 증발시킨다.

공동원자핵연구소(JINR)는 1978년에 납(Pb)-208에 철(Fe)-58을 충돌시켜 하슘을 합성하려 했으나 실패했다. 1984년에 실험을 반복하여 ²⁶⁴Hs의 딸 동위 원소인 ²⁶⁰Sg의 자발 핵분열을 검출했다. 같은 해, ²⁶⁵Hs의 붕괴 생성물인 ²⁵³Es와 ²⁵³Fm의 알파 붕괴를 감지하여 하슘 합성을 뒷받침했다.

1984년, GSI팀은 알파 붕괴 유전적 상관관계 방법을 사용하여 ²⁶⁵Hs 3개 원자를 식별했다. 1994년에는 ²⁶⁵Hs 75개 원자와 ²⁶⁴Hs 2개 원자를 검출했고, 1997년에는 20개 원자를 추가로 검출했다. 이 실험은 2002년 RIKEN(10개 원자)과 2003년 GANIL(7개 원자)에서 성공적으로 반복되었다. RIKEN팀은 2008년에 ²⁶⁵Hs의 29개 원자를 더 검출했다.

두브나 팀은 1984년에 납(Pb)-207 표적을 사용하여 ²⁶⁰Sg의 자발 핵분열 방사능을 감지했다. GSI팀은 1986년에 ²⁶⁴Hs의 단일 원자를 식별했고, 1994년에 알파 붕괴와 자발 핵분열을 모두 측정했다. RIKEN은 2008년에 ²⁶⁴Hs의 11개 원자를 검출했다.

2008년, RIKEN팀은 납(Pb)-206 표적을 사용하여 새로운 동위 원소 ²⁶³Hs의 8개 원자를 식별했다. 같은 해, 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)팀은 철(Fe)-56 투사체를 사용하여 ²⁶³Hs 6개 원자를 생성했다. RIKEN팀도 몇 달 후 동일한 반응에 대한 결과를 발표했다.

1983년, 두브나 팀은 비스무트(Bi)-209 표적과 망가니즈(Mn)-55 투사체를 사용한 반응에서 ²⁵⁵Rf의 자발 핵분열 방사능을 감지했다. 1984년 반복 실험에서도 동일한 결과를 얻었다. 1983년 실험에서, 페르뮴 동위 원소의 알파 붕괴를 감지하여 하슘 합성을 뒷받침했다. 이 반응은 이후 시도되지 않았고 ²⁶²Hs는 확인되지 않았다.

유리 오가네시안이 이끄는 공동핵연구소 연구팀은 1978년 칼슘(Ca)-48 발사체와 라듐(Ra)-226 표적 간의 반응을 연구했지만, 결과는 공개되지 않았다. 2008년 6월에 JINR에서 반복되어 ²⁷⁰Hs 원자 4개가 검출되었고, 2009년 1월에 2개가 추가로 검출되었다.

두브나 연구팀은 1983년에 캘리포늄(Cf)-249 표적과 네온(Ne)-22 발사체를 사용한 반응에서 짧은 자발 핵분열 활동을 발견했다.

우라늄(U)-238 표적과 황(S)-36 발사체를 사용한 반응은 2008년 4월~5월에 GSI에서 수행되어 ²⁷⁰Hs 원자 1개가 검출되었다. 1994년 3월, 두브나 연구팀은 황(S)-34 발사체를 사용하여 ²⁶⁷Hs 원자 3개를 검출했다. 이 반응은 2009년 1월~2월에 GSI에서 반복되어 ²⁶⁸Hs와 ²⁶⁷Hs 원자가 각각 하나씩 검출되었다. 새로운 동위 원소 ²⁶⁸Hs는 ²⁶⁴Sg로 알파 붕괴했다.

2001년 5월부터 2005년 8월까지, GSI-PSI 협력팀은 퀴륨(Cm)-248 표적과 마그네슘(Mg)-26 발사체를 사용한 반응에서 ²⁶⁹Hs, ²⁷⁰Hs, ²⁷¹Hs 동위 원소의 여기 함수를 연구했다. 이중 마법 동위 원소 ²⁷⁰Hs의 합성은 2006년 12월 뮌헨 공과대학교 과학자 팀에 의해 발표되었다. 이 동위 원소는 알파 입자를 방출하며 반감기가 ~22 s로 붕괴하는 것으로 보고되었으나, 이후 3.6 s로 수정되었다.

;^277mHs
²⁷⁷Hs에 할당된 동위 원소는 ~11분의 긴 반감기를 가지고 자발 핵분열(SF)로 붕괴되었다. 이 동위 원소는 ^281mDs의 붕괴에서 관찰되며, ²⁷⁷Hs의 이성질체 준위에 속할 가능성이 있다. 2009년, GSI 연구팀은 ²⁸¹Ds의 알파 붕괴 분지를 관찰하여 짧은 수명으로 SF 붕괴하는 핵종 ²⁷⁷Hs를 생성했다.

3.3. 붕괴 생성물

하슘과 같은 초우라늄 원소들은 입자 가속기에서 더 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성된다. 대부분의 하슘 동위 원소들은 이런 방식으로 직접 합성될 수 있지만, 일부 더 무거운 동위 원소들은 더 높은 원자 번호를 가진 원소들의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.

하슘 동위 원소는 다름슈타튬의 붕괴 생성물로 관찰되었다. 다름슈타튬은 현재 10개의 알려진 동위 원소를 가지고 있으며, 이 중 하나를 제외한 모든 동위 원소는 질량수가 263에서 277 사이인 하슘 핵으로 변환되기 위해 알파 붕괴를 겪는 것으로 나타났다. 질량수가 266, 272, 273, 275, 277인 하슘 동위 원소는 현재까지 다름슈타튬 핵의 붕괴를 통해서만 생성되었다. 모(母) 다름슈타튬 핵은 코페르니슘, 플레로븀, 또는 리버모륨의 붕괴 생성물일 수 있다. 예를 들어, 2004년 두브나 연구팀은 리버모륨-293의 붕괴를 통해 하슘-277을 최종 생성물로 확인했다.

4. 핵 특성

하슘 동위 원소는 대부분 매우 짧은 반감기를 가지며, 주로 알파 붕괴를 통해 더 가벼운 원소로 붕괴한다. 일부 동위 원소는 자발 핵분열을 통해 붕괴하기도 한다. 특히, ²⁷⁰Hs는 변형된 이중 마법 핵으로, 상대적으로 긴 반감기를 가질 것으로 예상되어 핵 구조 연구에 중요한 대상이다.

하슘 동위 원소의 핵적 특성은 다음과 같다.

하슘은 초우라늄 원소로, 입자 가속기에서 더 가벼운 원소들을 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성된다. 대부분의 하슘 동위 원소들은 이런 방식으로 합성될 수 있지만, 일부 더 무거운 동위 원소들은 더 무거운 원자 번호를 가진 원소들의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.

핵융합 반응은 관여된 에너지에 따라 "열" 핵융합과 "냉" 핵융합으로 구분된다. 열 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 발사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어 높은 들뜬 에너지를 가진 복합 핵이 생성되며, 이 핵은 핵분열하거나 여러 개의 중성자를 증발시킨다. 냉 핵융합 반응에서 생성된 융합 핵은 비교적 낮은 들뜬 에너지를 가지며, 이는 핵분열 확률을 감소시킨다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각됨에 따라, 한두 개의 중성자만 방출하면 되므로, 더 많은 중성자 과잉 생성물을 생성할 수 있다.

거시-미시(MM) 이론에 따르면, Z=108은 변형된 양성자 마법수이며, N=162는 변형된 중성자 마법수이다. 따라서 ²⁷⁰Hs는 변형된 이중 마법 핵으로서, 바닥 상태에서 영구적으로 변형되지만 추가 변형에 대한 높고 좁은 핵분열 장벽을 가져 비교적 긴 자발 핵분열(SF) 부분 반감기를 갖는다. ²⁷⁰Hs의 낮은 붕괴 에너지는 이 이론과 일치한다.

4.1. 핵 이성질 현상

일부 하슘 동위 원소는 바닥 상태 외에 준안정 상태인 핵 이성질체를 갖는다. 이러한 핵 이성질체는 핵의 모양이나 스핀 등의 차이로 인해 발생하며, 감마 붕괴나 다른 붕괴 방식을 통해 바닥 상태로 돌아간다.

* ²⁷⁷Hs: ²⁷⁷Hs 동위 원소는 약 11분의 긴 반감기를 가지며 자발 핵분열로 붕괴했다는 보고가 있었으나, 이는 ²⁸¹Ds의 드문 이성질체 준위 붕괴에서 비롯된 것으로 추정된다. ²⁷⁷Hs의 이성질체 존재 여부를 확인하기 위해 추가 연구가 필요하다. 최근 연구에서는 이 방사능이 ²⁷⁸Bh에서 기인했을 수 있다고 제안한다.

* ²⁶⁹Hs: ²⁶⁹Hs의 직접 합성에서는 9.21, 9.10, 8.94 MeV 에너지의 알파 입자가 관찰되었지만, ²⁷⁷Cn 붕괴를 통한 간접 합성에서는 9.21 MeV 알파 입자만 관찰되어 이성질체 준위에서의 붕괴 가능성을 시사한다. 추가 연구가 필요하다.

* ²⁶⁷Hs: ²⁶⁷Hs는 9.88, 9.83, 9.75 MeV 에너지의 알파 입자를 방출하며 반감기는 52 ms이다. 최근 ²⁷¹Ds와 ^271mDs 합성 과정에서 0.94 ms, ~0.8 s, ~6.0 s 반감기를 갖는 방사능이 추가로 관찰되었으나, 아직 확인되지 않아 추가 연구가 필요하다.

* ²⁶⁵Hs: ²⁶⁵Hs는 바닥 상태에서 10.30 MeV 알파 입자를 방출하며 반감기는 2.0 ms이다. 300 keV 들뜬 에너지의 이성질체 상태는 10.57 MeV 알파 입자를 방출하며 반감기는 0.75 ms이다.