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러더포듐 동위 원소

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1. 개요

러더포듐은 원자 번호 104번의 초악티늄족 원소로, 16개의 동위원소와 5개의 이성질체가 알려져 있다. 러더포듐 동위원소는 주로 입자 가속기에서 가벼운 원소를 충돌시켜 핵융합 반응을 통해 합성되며, 더 무거운 원소의 붕괴 과정에서도 생성된다. 러더포듐의 합성은 고온 핵융합과 저온 핵융합 방식을 통해 이루어지며, 붕괴 생성물로 다름슈타튬, 플레로븀, 모스코비움 등이 있다.

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러더포듐 동위 원소
핵종 정보
원소 기호Rf
Nubase 2020 참고
핵종
질량수261
기호Rf
존재 비율합성
반감기2.1초
붕괴 방식SF (82%)
붕괴 방식α (18%)
붕괴 생성물257No
딸 핵종257No
핵종
질량수263
기호Rf
존재 비율합성
반감기15분
붕괴 방식SF (<100%?)
붕괴 방식α (~30%?)
붕괴 생성물259No
딸 핵종259No
핵종
질량수265
기호Rf
존재 비율합성
반감기1.1분
붕괴 방식SF
핵종
질량수267
기호Rf
존재 비율합성
반감기48분
붕괴 방식SF
추가 정보

2. 동위원소

러더포듐은 인공 원소로, 안정 동위 원소가 존재하지 않아 표준 원자량을 정할 수 없다. 현재까지 253Rf부터 268Rf까지 16개의 동위 원소와 5개의 이성질체가 발견되었다. 가장 안정한 동위 원소는 약 5시간의 반감기를 갖는 267Rf이지만, 일부 자료에서는 13시간의 반감기를 갖는 265Rf를 가장 안정한 동위 원소로 보기도 한다.[2]

러더포듐 동위 원소는 대부분 알파 붕괴를 하지만, 일부는 자발 핵분열을 하거나 β+ 붕괴를 통해 붕괴하기도 한다.

2. 1. 동위원소 목록

러더포듐 동위 원소
핵종Z (양성자)N (중성자)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식붕괴 생성물핵 스핀
253Rf104149253.10044(44)#13(5) msSF (51%)
α (49%)
다양
249No
(7/2)(+#)
253mRf104149253.10044(44)#52(14) µs(1/2)(-#)
254Rf104150254.10005(30)#23(3) µsSF (99.7%)
α (0.3%)
다양
250No
0+
255Rf104151255.10127(12)#1.64(11) sSF (52%)
α (48%)
다양
251No
(9/2-)#
256Rf104152256.101152(19)6.45(14) msSF (96%)
α (6%)
다양
252No
0+
257Rf104153257.102918(12)#4.7(3) sα (79%)253No(1/2+)
β+ (18%)
SF (2.4%)
257Lr
다양
257mRf104153257.102918(12)#3.9(4) s(11/2-)
258Rf104154258.10343(3)12(2) msSF (87%)
α (13%)
다양
254No
0+
259Rf104155259.10560(8)#2.8(4) sα (93%)255No7/2+#
SF (7%)
β+ (0.3%)
다양
259Lr
260Rf104156260.10644(22)#21(1) msSF (98%)
α (2%)
다양
256No
0+
261Rf104157261.10877(5)5.5(25) sα (76%)257No3/2+#
β+ (14%)
SF (10%)
261Lr
다양
261mRf104157261.10877(5)81(9) sβ+
α (드묾)
261Lr
257No
9/2+#
262Rf104158262.10993(24)#2.3(4) sSF (99.2%)
α (0.8%)
다양
258No
0+
262mRf104158262.10993(24)#47(5) msSF다양high
263Rf104159263.1125(2)#11(3) minSF (70%)
α (30%)
다양
259No
3/2+#
264Rf104160264.11388(39)#1# hSF다양0+
265Rf104161265.11668(39)#1.8 minSF다양
266Rf104162266.11817(50)#10# h0+
267Rf[71]104163267.12179(62)#5# hSF다양
268Rf[72]104164268.12397(77)#1# h0+


2. 2. 핵 이성질체

러더포듐의 동위 원소 중 핵 이성질체를 갖는 것으로 알려진 것은 256Rf, 257Rf, 261Rf, 262Rf, 263Rf이다.263Rf의 합성에 대한 초기 연구에서는 반감기가 10~20분이며 주로 자발 핵분열로 붕괴하는 것으로 나타났다. 그러나 최근 하슘 동위 원소 연구를 통해 8초의 짧은 반감기를 갖는 263Rf 원자를 합성할 수 있었다. 이 두 가지 붕괴 모드는 두 개의 이성질체 상태와 관련이 있지만, 관측된 사건 수가 적어 특정 할당은 어렵다.[56]244Pu(22Ne,5n)261Rf 반응을 이용한 실험에서 생성물은 반감기 78초에 8.28 MeV 알파 붕괴만 하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 GSI에서 코페르니슘 및 하슘 동위 원소 합성에 대한 후속 연구에서는 261Rf가 붕괴 사슬에서 생성되어 반감기 4초에 8.52 MeV 알파 붕괴를 한다는 상반된 데이터가 나왔다. 이후 결과는 지배적인 핵분열 분기를 나타냈다. 이러한 모순으로 인해 코페르니슘의 발견에 대한 의문이 제기되었다. 첫 번째 이성질체는 현재 261aRf (또는 단순히 261Rf)로 표시되고, 두 번째는 261bRf (또는 261mRf)로 표시된다. 그러나 첫 번째 핵은 고스핀 바닥 상태에 속하고 후자는 저스핀 준안정 상태에 속하는 것으로 생각된다.[62] 261bRf의 발견과 확인은 1996년 코페르니슘 발견에 대한 증거를 제공했다.[63]208Pb(50Ti,n)257Rf 반응을 사용하여 257Rf 핵의 생성에 대한 상세한 분광학적 연구를 통해 257Rf에서 이성질체 준위의 식별이 가능했다. 이 연구는 257gRf가 15개의 알파선을 갖는 복잡한 스펙트럼을 가지고 있음을 확인했다. 두 이성질체 모두에 대한 준위 구조 도표가 계산되었다.[64] 유사한 이성질체가 256Rf에서도 보고되었다.[65]


3. 합성

초중원소인 러더포듐은 더 가벼운 원소를 입자 가속기에서 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생성한다. 대부분의 러더포듐 동위 원소는 이러한 방식으로 직접 합성되지만, 일부 더 무거운 동위 원소는 더 무거운 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관찰되었다.[37]

핵융합 반응은 관여하는 에너지에 따라 "열"과 "냉"으로 구분된다. 열 핵융합 반응에서는 매우 가볍고 고에너지의 투사체가 매우 무거운 표적(악티늄족)을 향해 가속되어 높은 에너지의 여기 상태(~40–50 MeV)에서 화합물 핵을 생성하며, 이 핵은 핵분열하거나 여러(3~5) 중성자를 증발시킬 수 있다.[37] 냉 핵융합 반응에서는 생성된 융합 핵이 비교적 낮은 여기 에너지(~10–20 MeV)를 가지므로, 핵분열 반응을 겪을 확률이 감소한다. 융합 핵이 바닥 상태로 냉각되면, 하나 또는 두 개의 중성자만 방출하면 되므로, 더 많은 중성자 과잉 생성물을 만들 수 있다.[38]

3. 1. 고온 핵융합

Hot fusion영어 반응은 무거운 악티늄족 원소 표적( 플루토늄, 큐륨, 칼리포늄 등)에 가벼운 이온(산소, 네온 등)을 가속시켜 충돌시키는 방법이다. 이 방법을 통해 258Rf, 259Rf, 260Rf, 261Rf, 262Rf, 263Rf 등의 동위 원소가 합성되었다.[37]

1964년 두브나 연구팀은 네온-22 발사체를 플루토늄-242 표적과 고온 핵융합 반응을 통해 처음으로 러더포듐 합성을 시도하였다.[40]

: + → + 3 또는 5 .

첫 연구에서는 0.3초의 반감기를 가진 자발 핵분열과 8초의 반감기를 가진 자발적 핵분열의 증거가 나타났다. 전자의 관찰은 결국 철회되었지만, 후자는 결국 259Rf 동위 원소와 연관되었다.[40] 1966년에 소련 연구팀은 휘발성 염화물 생성물의 화학적 연구를 통해 해당 실험을 반복하였고, RfCl4의 형성에 대한 강력한 증거를 확인했다. 반감기가 정확하게 측정되지는 않았지만, 이후의 증거는 생성물이 259Rf일 가능성이 높다는 것을 시사했다. 연구팀은 그 다음 몇 년 동안 여러 번 실험을 반복했고, 1971년에는 해당 동위 원소의 자발적 핵분열 반감기를 4.5초로 수정했다.[40]

1969년, 앨버트 기오르소(Albert Ghiorso)가 이끄는 캘리포니아 대학교 연구원들은 두브나에서 보고된 최초의 결과를 확인하려고 시도했다. 큐륨-248과 산소-16의 반응에서, 그들은 소련 연구팀의 결과를 확인할 수 없었지만, 10–30 ms의 매우 짧은 반감기를 가진 260Rf의 자발적 핵분열을 관찰하는 데 성공했다.[40]

: + → + 4 .

1970년, 미국 연구팀은 산소-18을 사용한 동일한 반응을 연구하여 65 초(후에 75 초로 수정)의 반감기를 가진 261Rf를 확인했다.[41][42] 캘리포니아 로렌스 버클리 국립 연구소의 후속 실험에서도 262Rf의 짧은 수명의 이성질체(47 ms의 반감기로 자발적 핵분열을 겪음)의 형성이 밝혀졌고,[43] 263Rf로 잠정적으로 지정된 긴 수명을 가진 자발적 핵분열 활동도 발견되었다.[56]

257Rf and 259Rf 동위 원소 발견에 사용된 실험 장비의 다이어그램


칼리포늄-249와 탄소-13의 반응 역시 기오르소 팀에 의해 조사되었으며, 이는 짧은 수명의 258Rf(11 ms에서 자발적 핵분열을 겪음)의 형성을 나타냈다.[44]

: + → + 4 .

탄소-12를 대신 사용하여 이러한 결과를 확인하려 시도하면서, 그들은 또한 257Rf에서 처음으로 알파 붕괴를 관찰했다.[44]

버클륨-249와 질소-14의 반응은 1977년 두브나에서 처음 연구되었으며, 1985년, 연구원들은 28 ms에서 빠르게 자발적 핵분열을 겪는 260Rf 동위 원소의 형성을 확인했다.[40]

: + → + 3 .

1996년, 262Rf 동위 원소는 LBNL에서 플루토늄-244와 네온-22의 융합을 통해 관찰되었다.[45]

: + → + 4 또는 5 .

연구팀은 2.1 초의 반감기를 결정했는데, 이는 이전의 47 ms 보고와 대조적이며, 두 반감기가 262Rf의 서로 다른 이성질체 상태로 인해 발생할 수 있다고 제안했다.[45] 두브나의 연구팀은 동일한 반응에 대한 연구를 통해 2000년에 261Rf의 알파 붕괴와 261mRf의 자발적 핵분열을 관찰했다.[46]

우라늄 표적을 사용한 고온 핵융합 반응은 2000년 두브나에서 처음 보고되었다.[46][47][48]

: + → + x (x = 3, 4, 5, 6).

그들은 260Rf와 259Rf의 붕괴를 관찰했으며, 이후 259Rf의 붕괴도 관찰했다. 2006년, 고온 핵융합 반응에서 우라늄 표적 연구 프로그램의 일환으로, LBNL의 연구팀은 또한 261Rf를 관찰했다.[46][47][48]

아래 표는 러더포듐 동위 원소를 직접 생성하는 고온 핵융합 반응의 단면적과 여기 에너지를 제공한다. 굵은 글씨로 된 데이터는 여기 함수 측정에서 파생된 최대값을 나타낸다. +는 관찰된 출구 채널을 나타낸다.

발사체표적CN3n4n5n
26Mg238U264Rf240 pb1.1 nb
22Ne244Pu266Rf+4.0 nb
18O248Cm266Rf+13.0 nb


3. 2. 저온 핵융합

또는 비스무트 표적에 티타늄과 같은 무거운 이온을 가속시켜 충돌시키는 방법이다.[38] 이 방법으로 254Rf영어, 255Rf영어, 256Rf영어, 257Rf영어 등의 동위 원소가 합성되었다.[49][50][51]

1974년 두브나의 연구자들은 납-207과 티타늄-50의 반응을 연구하여 255Rf영어 동위 원소를 생성했다.[52] 1994년 GSI에서 납-206 동위 원소를 사용하여 255Rf영어254Rf영어가 검출되었다. 253Rf영어는 그해 납-204를 대신 사용했을 때도 유사하게 검출되었다.[51]

다음 표는 러더포듐 동위 원소를 직접 생성하는 저온 핵융합 반응의 단면적과 여기 에너지를 제공한다. 굵은 글씨로 된 데이터는 여기 함수 측정에서 파생된 최대값을 나타낸다.

발사체표적CN1n2n3n
50Ti영어208Pb영어258Rf영어, 12.3nb, 21.5MeV660pb,
50Ti영어207Pb영어257Rf영어4.8nb
50Ti영어206Pb영어256Rf영어800pb, 21.5MeV2.4nb, 21.5MeV
50Ti영어204Pb영어254Rf영어190pb, 15.6MeV
48Ti영어208Pb영어256Rf영어380pb,


3. 3. 붕괴 생성물

더 무거운 초중원소(다름슈타튬, 플레로븀, 모스코비움 등)의 붕괴 과정에서 러더포듐 동위 원소가 생성되기도 한다. 265Rf, 266Rf, 267Rf, 268Rf 등의 동위 원소가 이 방법으로 관찰되었다.[71][72]

일례로, 2004년부터 다름슈타튬-279의 붕괴 연쇄에서 267Rf로 종결되는 몇몇 알파 붕괴 현상이 관찰되었다.[53][54][55]

: → + → + → +

2010년 플레로븀-285의 붕괴 연쇄에 대한 보고에서는 265Rf로 종결되는 5개의 연속적인 알파 붕괴가 나타났다.[57]

2004년에는 모스코비움 동위 원소의 붕괴 연쇄에서 더 무거운 동위 원소인 268Rf에 대한 몇 가지 실험적 증거가 제시되었다.[58]

: → + → + → + → + → + ? → +

2007년 니호늄 합성에 관한 보고서에 따르면, 282Nh는 266Db를 형성하기 위해 유사한 붕괴를 두 번 겪는 것으로 관찰되었다. 266Db의 전자 포획을 감지할 수 없다는 점을 고려하면, 이러한 자발 핵분열 현상은 266Rf 때문일 수 있다.[60]

4. 화학적 특성

(주어진 원본 소스가 비어 있으므로, 작성할 내용이 없습니다.)

참조

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[71] 정보
[72] 정보



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