아인슈타이늄

3. 특성

아인슈타이늄은 핵분열 비율이 높아 지속적인 핵 연쇄 반응을 위한 임계 질량이 낮다. ²⁵⁴Es 동위원소의 경우, 아무것도 씌우지 않은 구(bare sphere) 형태에서 9.89kg이며, 30cm 두께의 강철 중성자 반사체를 추가하면 2.9kg, 물로 만든 20cm 두께의 반사체를 사용하면 2.26kg까지 낮아진다. 그러나 이처럼 작은 임계 질량조차도 현재까지 분리된 아인슈타이늄의 총량, 특히 희귀한 ²⁵⁴Es의 양을 훨씬 초과한다.^[39]

1952년 최초의 수소폭탄 폭발 잔해에서 발견되었다. 가장 흔한 동위원소인 아인슈타이늄-253(반감기 20.47일)은 몇몇 고출력 전용 원자로에서 캘리포늄-253의 붕괴를 통해 연간 1밀리그램 정도만 인공적으로 생성된다. 원자로에서의 합성 후에는 아인슈타이늄-253을 다른 악티늄족 원소 및 그 붕괴 생성물로부터 분리하는 복잡한 과정이 필요하다. 다른 동위원소들은 여러 실험실에서 무거운 악티늄족 원소에 가벼운 이온을 충돌시켜 합성되지만, 아인슈타이늄-253에 비해 훨씬 소량이다. 생성되는 아인슈타이늄의 양이 적고, 가장 쉽게 생성되는 동위원소의 반감기가 짧기 때문에 현재로서는 실용적인 용도가 거의 없으며, 주로 기초 과학 연구에 사용된다. 특히 아인슈타이늄은 1955년에 처음으로 새로운 원소 멘델레븀의 17개 원자를 합성하는 데 사용되었다.

아인슈타이늄은 부드럽고 은색을 띠는 상자성 금속이다. 화학적 성질은 악티늄족 원소 후반부의 전형적인 성질을 보이며, +3의 산화 상태가 우세하고 +2 산화 상태도 가질 수 있다(특히 고체 상태). 아인슈타이늄-253의 높은 방사능은 가시광선의 섬광을 발생시키고, 그램당 약 1000와트의 열을 방출하여 결정성 금속 격자를 빠르게 손상시킨다. 하루에 약 3%의 아인슈타이늄-253이 버클륨-249로 붕괴되고, 거기서 더 캘리포늄-249가 되기 때문에 특성 연구가 어렵다. 반감기가 가장 긴 아인슈타이늄 동위원소인 아인슈타이늄-252(반감기 471.7일)는 물리적 성질 연구에 적합하지만, 제조가 매우 어려워 미량만 얻을 수 있으며 대량으로 확보할 수 없다.^[100] 순수한 형태로 거시적인 양으로 관찰된 가장 큰 원자 번호를 가진 원소이며, 이는 일반적인 단수명 동위원소인 아인슈타이늄-253에서 확인되었다.^[125]

모든 인공 초우라늄 원소와 마찬가지로 아인슈타이늄 동위원소는 매우 방사성이 높아 섭취 시 건강에 매우 위험하다고 여겨진다.^[122]

3. 1. 물리적 특성

3. 2. 화학적 특성

3. 3. 동위원소

4. 합성 및 추출

아인슈타이늄은 가벼운 악티늄족 원소에 중성자를 쬐어 원자로에서 미량 생산된다. 세계 주요 조사 시설로는 미국 테네시 주 오크리지 국립 연구소(ORNL)의 85메가와트 고속 동위원소 반응로(HFIR)와 러시아 디미트로프그라드의 원자로 연구소(NIIAR)의 SM-2 루프 원자로가 있으며, 두 시설 모두 트란스쿠륨 원소(''Z''>96) 생산에 전념하고 있다. 이들 시설은 출력과 플럭스 수준이 비슷하며 트란스쿠륨 원소 생산 능력도 비슷할 것으로 예상되지만, NIIAR에서 생산되는 양은 널리 보고되지 않는다.^[47]

ORNL의 "일반적인 처리 과정"에서는 수십 그램의 퀴륨을 조사하여 데시그램 단위의 캘리포늄, 밀리그램 단위의 버클륨(²⁴⁹Bk)과 아인슈타이늄, 그리고 피코그램 단위의 페르뮴을 생산한다.^[48][49] 1961년 HFIR에서 약 10나노그램의 ²⁵³Es 시료가 처음으로 미량 생산되었으며, 무게를 측정하기 위해 특수 자력 저울이 설계되었다.^[23][50] 이후 수 킬로그램의 플루토늄을 사용하여 더 많은 양을 생산하였으며, 아인슈타이늄(대부분 ²⁵³Es)의 수율은 1967년~1970년에 0.48밀리그램, 1971년~1973년에 3.2밀리그램이었고, 1974년부터 1978년까지는 연간 약 3밀리그램을 꾸준히 생산했다.^[51] 그러나 이 양은 조사 직후 표적 내의 총량을 나타내며, 이후 분리 과정을 거치면서 동위원소적으로 순수한 아인슈타이늄의 양은 약 10배 정도 감소했다.^[47]

4. 1. 핵반응로 합성

4. 2. 핵실험 합성

4. 3. 분리

5. 화합물

아인슈타이늄은 주로 +3가 산화 상태를 가지는 다양한 화합물을 형성한다. +2가 산화 상태도 가능하다.^[180][181]

아인슈타이늄(III) 산화물(Es₂O₃)은 무색의 고체로, 정육면체, 단사정계, 육방정계의 세 가지 결정 구조가 알려져 있다.^[176][177] 제조 방법과 시료의 이력에 따라 특정 결정 구조가 형성되며, 이들 사이의 상호 변환은 자발적으로 일어날 수 있다.^[178]

할로겐화 아인슈타이늄은 +2가 및 +3가 산화 상태로 알려져 있으며,^[180][181] +3가가 더 안정적이다. 아인슈타이늄(III) 플루오르화물(EsF₃)은 육방정계 결정 구조를 가지며,^{[182][183][184]} 아인슈타이늄(III) 염화물(EsCl₃)은 주황색 고체로 육방정계 구조를 가진다.^{[185][183][186]} 아인슈타이늄(III) 브로민화물(EsBr₃)은 옅은 노란색의 단사정계 고체이다.^[174][183] 아이슈타이늄(III) 아이오다이드는 호박색의 육방정계 결정 구조를 가진다.^[175][174]

아인슈타이늄의 높은 방사능은 방사선 치료에 응용될 가능성이 연구되었으며,^[125] 유기 아인슈타이늄 화합물이 합성되기도 했다.^[191]

6. 응용

아인슈타이늄은 기초 과학 연구 외에는 거의 사용되지 않는다.^[94] 1955년 버클리 연구소의 사이클로트론에서 약 10⁹개의 아인슈타이늄-253(²⁵³Es) 원자로 구성된 표적에 방사선을 조사하여 멘델레븀을 합성했다. 이 반응으로 원자 번호 101번인 멘델레븀 원자 17개가 생성되었다.^[95]

희귀한 동위원소인 아인슈타이늄-254(²⁵⁴Es)는 질량이 크고 반감기가 270일로 비교적 길며, 수 마이크로그램 정도를 얻을 수 있어 초중원소 합성에 유용하다.^[96] 1985년 캘리포니아 대학교 버클리의 superHILAC 선형 입자 가속기에서 우눈엔늄(원소 119) 합성을 시도할 때 ²⁵⁴Es를 표적으로 칼슘-48 이온을 충돌시켰으나, 우눈엔늄 원자는 확인되지 않았다. 이 반응의 단면적 상한선은 300나노바른이었다.^[97]

서베이어 5호의 화학 분석 분광계("알파 산란 표면 분석기")에서 ²⁵⁴Es는 보정 마커로 사용되었다. ²⁵⁴Es의 큰 질량 덕분에 마커 신호와 달 표면의 가벼운 원소 신호 사이의 스펙트럼 중복이 줄었다.^[98]

7. 안전성

아인슈타이늄은 모든 인공 초우라늄 원소와 마찬가지로 매우 방사성이 높아 섭취 시 건강에 매우 위험하다고 여겨진다.^[122]

대부분의 아인슈타이늄 독성 데이터는 동물 연구에서 얻어졌다. 쥐가 아인슈타이늄을 섭취했을 때, 혈류에 도달하는 양은 약 0.01%에 불과하다. 그 중 약 65%는 뼈로 이동하며, 방사성 붕괴가 없다면 약 50년간 남아 있을 것이다. 25%는 폐로 이동하며 (생물학적 반감기는 약 20년이지만, 아인슈타이늄의 짧은 반감기로 인해 무의미해진다), 0.035%는 고환으로, 0.01%는 난소로 이동하여 아인슈타이늄은 무기한 머물게 된다. 섭취량의 약 10%는 배설된다. 뼈 표면에 대한 아인슈타이늄의 분포는 균일하며, 플루토늄과 유사하다.^[99]

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