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인공 원소

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1. 개요

인공 원소는 원자 번호가 94보다 큰 원소로, 매우 불안정하여 빠르게 붕괴하며, 지구 형성 초기에는 존재했을 가능성이 있으나 현재는 핵실험, 입자 가속기, 핵융합 등을 통해 생성된다. 이러한 인공 원소들은 자연 동위 원소 존재비가 없어 가장 안정적인 동위 원소의 핵자 수를 괄호 안에 표기한다. 테크네튬은 최초로 합성된 원소이며, 퀴륨, 아메리슘, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴, 멘델레븀, 노벨륨, 로렌슘, 러더퍼듐, 더브늄, 시보귬, 보륨, 하슘, 마이트네륨, 다름슈타튬, 뢴트게늄, 코페르니슘, 니호늄, 플레로븀, 모스코븀, 리버모륨, 테네신, 오가네손 등이 있다. 이 외에도 테크네튬, 프로메튬, 폴로늄, 아스타틴, 프랑슘, 라듐, 악티늄, 프로트악티늄, 넵투늄, 플루토늄 등도 합성을 통해 생성된다.

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인공 원소
개요
이름인공 원소
다른 이름합성 원소
정의자연적으로 존재하지 않고 인위적으로 합성된 화학 원소
특징방사성을 띠며, 안정적인 동위 원소가 없음
로마자 표기ingong wonso
역사
최초의 인공 원소테크네튬 (원자 번호 43, 기호 Tc)
발견 연도1937년
발견자에밀리오 세그레, 카를로 페리에
발견 방법몰리브데넘 조각을 사이크로트론으로 중수소 이온으로 충격시켜 합성
최초의 악티늄족 원소플루토늄 (원자 번호 94, 기호 Pu)
발견 연도1940년
발견자글렌 T. 시보그, 에드윈 맥밀런, J.W. 케네디, A.C. 월
발견 방법우라늄중수소를 충돌시켜 합성
특징
안정성모든 인공 원소는 방사성을 띠며, 안정적인 동위 원소가 없음
붕괴 방식알파 붕괴, 베타 붕괴, 자발적 핵분열 등 다양한 방식으로 붕괴
반감기매우 짧은 반감기(몇 초 이하)부터 긴 반감기(수백만 년)까지 다양함
생산
생산 방법핵반응을 통해 무거운 원소에 입자를 충돌시키거나, 무거운 원소의 핵분열을 통해 생성
주요 생산 시설원자로, 가속기
활용
연구핵물리학, 방사화학 등 다양한 분야에서 연구에 활용
산업일부 원소는 의료, 산업 분야에서 제한적으로 활용 (예: 아메리슘은 연기 감지기에 사용)
핵무기일부 원소 (플루토늄 등)는 핵무기 제조에 사용
목록
목록프로메튬, 테크네튬, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴, 멘델레븀, 노벨륨, 로렌슘, 러더포듐, 더브늄, 시보륨, 보륨, 하슘, 마이트너륨, 다름슈타튬, 뢴트게늄, 코페르니슘, 니호늄, 플레로븀, 모스코븀, 리버모륨, 테네신, 오가네손
비고악티늄, 프로트악티늄, 토륨은 자연적으로 미량 존재하지만, 인공적으로도 생산됨

2. 성질

원자 번호가 94(플루토늄)보다 큰 모든 원소는 매우 불안정하여 빠르게 붕괴한다.[5][6] 지구 형성 초기에 존재했을 가능성이 있는 인공 원소들은 이미 오래전에 붕괴하여 현재는 존재하지 않는다. 현재 지구상에 존재하는 인공 원소는 핵실험(원자폭탄, 원자로 등)이나 입자가속기를 이용한 핵융합, 중성자 흡수 등의 과정을 통해 생성된 것이다.[7]

자연 원소의 원자 질량은 지구의 지각대기에 존재하는 자연 동위 원소의 가중 평균 존재비를 바탕으로 계산되지만, 인공 원소는 "자연 동위원소 존재비"가 없으므로 가장 안정적인 동위 원소(반감기가 가장 긴 동위 원소)의 총 핵자 수(양성자중성자의 합)를 괄호 안에 표시한다.

3. 역사

3. 1. 테크네튬 (Tc)

테크네튬은 1937년에 자연에서 발견된 것이 아니라 최초로 합성된 원소이다.[8] 이 발견은 주기율표의 빈자리를 채웠으며, 테크네튬에 안정 동위원소가 없다는 사실은 지구상에 테크네튬이 존재하지 않는 이유를 설명해 준다.[9] 테크네튬의 가장 긴 반감기를 가진 동위원소인 97Tc의 반감기는 421만 년이기 때문에, 지구 생성 당시 존재했던 테크네튬은 남아있지 않다.[10][11] 지구 지각에는 극미량의 테크네튬만이 자연적으로 존재하는데, 이는 238U의 핵분열 생성물 또는 몰리브덴에서의 중성자 포획에 의한 것이다. 하지만 테크네튬은 적색 거성 별에는 자연적으로 존재한다.[12][13][14][15]

3. 2. 퀴륨 (Cm)

1944년 글렌 시보그, 랄프 제임스, 알버트 기오르소는 플루토늄알파 입자를 충돌시켜 최초로 퀴륨을 합성하였다.[16][17]

3. 3. 아메리슘 (Am), 버클륨 (Bk), 캘리포늄 (Cf)

퀴륨 합성에 이어 아메리슘(Am), 버클륨(Bk), 캘리포늄(Cf)의 합성이 이루어졌다.[18]

3. 4. 아인슈타이늄 (Es), 페르뮴 (Fm)

1952년, 알베르트 기오르소가 이끄는 과학자팀은 최초의 수소폭탄 폭발로 인한 방사성 잔해의 구성 성분을 연구하는 과정에서 아인슈타이늄페르뮴을 발견하였다.[18] 합성된 동위원소는 반감기가 20.5일인 아인슈타이늄-253과 반감기가 약 20시간인 페르뮴-255였다.[18]

3. 5. 멘델레븀 (Md), 노벨륨 (No), 로렌슘 (Lr)

아메리슘, 버클륨, 캘리포늄의 합성이 이어서 이루어졌다. 아인슈타이늄과 페르뮴은 1952년 알베르트 기오르소(Albert Ghiorso)가 이끄는 과학자팀이 최초의 수소폭탄 폭발로 인한 방사성 잔해의 구성 성분을 연구하는 과정에서 발견되었다.[18] 합성된 동위원소는 반감기가 20.5일인 아인슈타이늄-253과 반감기가 약 20시간인 페르뮴-255였다. 이어서 멘델레븀, 노벨륨, 로렌슘의 생성이 이루어졌다.

3. 6. 러더퍼듐 (Rf), 더브늄 (Db)

냉전 최고조기에 소련과 미국 연구팀은 각각 러더퍼듐과 더브늄을 독자적으로 합성했다. 이 원소들의 명명과 합성에 대한 공로는 여러 해 동안 결정되지 않았지만, 결국 1992년 IUPAC/IUPAP에서 공동 공로를 인정받았다. 1997년 IUPAC은 미국 팀이 제안한 이름이 이미 많은 기존 합성 원소에 사용되었기 때문에 러시아 팀이 연구했던 도시 두브나를 기념하여 더브늄이라는 현재 이름을 정하는 한편, 미국 팀이 제안한 이름인 "러더퍼듐"(rutherfordium)을 원소 104에 대한 이름으로 받아들였다.

3. 7. 시보귬 (Sg) 이후의 합성 원소

미국 연구팀은 시보기움을 생성했고, 독일 연구팀은 보륨, 하슘, 마이트너륨, 다름슈타튬, 뢴트게늄, 코페르니슘을 합성하였다. 일본 연구팀은 니호늄을 합성하였고, 러시아-미국 공동 연구팀은 플레로븀, 모스코븀, 리버모륨, 테네신, 오가네손을 합성하여 주기율표의 7주기를 완성했다.

4. 합성 방법 (일본어 위키백과 참고)

5. 인공 원소 목록

아래 표는 지구상에 자연적으로 존재하지 않는 인공 원소들의 목록이다. 모두 초우라늄 원소이며 원자 번호가 95 이상이다.

원소 이름화학
기호
원자
번호
최초 확정
합성
아메리슘Am951944
퀴륨Cm961944
버클륨Bk971949
캘리포늄Cf981950
아인슈타이늄Es991952
페르뮴Fm1001952
멘델레븀Md1011955
노벨륨No1021965
로렌슘Lr1031961
러더퍼듐Rf1041969 (소련 및 미국) *
더브늄Db1051970 (소련 및 미국) *
시보귬Sg1061974
보륨Bh1071981
하슘Hs1081984
마이트너륨Mt1091982
다름슈타튬Ds1101994
뢴트게늄Rg1111994
코페르니슘Cn1121996
니호늄Nh1132003–04
플레로븀Fl1141999
모스코븀Mc1152003
리버모륨Lv1162000
테네신Ts1172009
오가네손Og1182002
* 발견에 대한 공동 공로.



넵투늄우라늄-238중성자를 충돌시켜 합성하고,플루토늄우라늄중수소를 충돌시켜 합성한다. 아메리슘플루토늄-239에 중성자 2개를 충돌시켜 합성하고,퀴륨플루토늄-239에 32×106eV의 알파입자를 충돌시켜 합성한다. 버클륨은 아메리슘-241에 알파입자를 충돌시켜 합성하고,캘리포늄은 퀴륨-242에 사이클로트론으로 35×106eV로 가속한 알파입자를 충돌시켜 합성한다. 멘델레븀사이클로트론으로 10억 개(109개)의 아인슈타이늄(253Es) 표적에 알파입자(헬륨 원자핵)를 충돌시켜 합성하고,노벨륨은 퀴륨-244에 탄소-13을 충돌시켜 합성한다. 니호늄70Zn(아연)을 209Bi(비스무트)에 충돌시켜 합성하고,테네신칼슘 원자핵을 버클륨 원자핵에 충돌시켜 합성한다. 오가네손은 캘리포늄-249 원자와 칼슘-48 이온의 충돌로 합성한다.

6. 주로 합성을 통해 생성되는 다른 원소

원자 번호 1부터 94까지의 모든 원소는 적어도 미량으로 자연적으로 발생하지만, 다음 원소들은 종종 합성을 통해 생성된다.[19][20]

원소 이름화학
기호
원자
번호
최초 확실한
발견
자연에서의 발견
테크네튬Tc4319371962
프로메튬Pm6119451965
폴로늄Po841898
아스타틴At8519401943
프랑슘Fr871939
라듐Ra881898
악티늄Ac891902
프로트악티늄Pa911913
넵투늄Np9319401952
플루토늄Pu9419401941–42



테크네튬, 프로메튬, 아스타틴, 넵투늄, 플루토늄은 자연에서 발견되기 전에 합성을 통해 발견되었다. 넵투늄은 우라늄-238중성자를 충돌시켜, 플루토늄은 우라늄중수소를 충돌시켜 합성한다. 아메리슘은 플루토늄-239에 중성자 2개를 충돌시켜, 퀴륨은 플루토늄-239에 32×106eV의 알파입자를 충돌시켜 합성한다. 버클륨은 아메리슘-241에 알파입자를 충돌시켜, 캘리포늄은 퀴륨-242에 사이클로트론으로 35×106eV로 가속한 알파입자를 충돌시켜 합성한다. 멘델레븀은 사이클로트론으로 10억 개(109개)의 아인슈타이늄(253Es) 표적에 알파입자(헬륨 원자핵)를 충돌시켜, 노벨륨은 퀴륨-244에 탄소-13을 충돌시켜 합성한다. 니호늄은 70Zn(아연)을 209Bi(비스무트)에 충돌시켜, 테네신은 칼슘 원자핵을 버클륨 원자핵에 충돌시켜 합성한다. 오가네손은 캘리포늄-249 원자와 칼슘-48 이온의 충돌로 합성한다.

참조

[1] 웹사이트 A Complete List of Man-made Synthetic Elements https://sciencestruc[...] 2009-06-15
[2] 웹사이트 name-nihonium-chosen-thank-japanese-public-support-physicist-says https://www.japantim[...]
[3] 웹사이트 WebElements Periodic Table » Technetium » historical information https://www.webeleme[...] Webelements 2019-11-07
[4] 웹사이트 Facts About Plutonium https://www.livescie[...] 2016-12-08
[5] 웹사이트 How Was Earth Formed? https://www.space.co[...] 2016-11
[6] 웹사이트 Synthetic elements https://www.infoplea[...]
[7] 웹사이트 A Complete List of Man-made Synthetic Elements https://sciencestruc[...] 2009-06-15
[8] 웹사이트 Technetium or Masurium Facts https://www.thoughtc[...] ThoughtCo
[9] 웹사이트 Technetium decay and its cardiac application https://www.khanacad[...] Khan Academy
[10] 웹사이트 Technetium Element Facts https://www.chemicoo[...]
[11] 웹사이트 Periodic Table: Technetium http://www.chemicale[...]
[12] 서적 Handbook of Chemistry and Physics https://archive.org/[...] CRC press 2004
[13] 논문 Technetium in the Sun 1951
[14] 논문 Analysis of Naturally Produced Technetium and Plutonium in Geologic Materials 1997
[15] 논문 Nature's uncommon elements: plutonium and technetium https://digital.libr[...] 1999
[16] 서적 The history and use of our earth's chemical elements: a reference guide https://books.google[...] Greenwood Publishing Group 2006
[17] 서적 The New Chemistry: A Showcase for Modern Chemistry and Its Applications https://archive.org/[...] Cambridge University Press 2000
[18] 논문 Einsteinium and Fermium
[19] 간행물
[20] 논문 Search for Elements 94 and 93 in Nature. Presence of 94239 in Pitchblende1 American Chemical Society (ACS)
[21] 논문 宇宙線並に元素の人工變換について
[22] 논문 土壤肥料學に於ける人工放射性元素の應用 https://hdl.handle.n[...]
[23] 웹사이트 げんそキッズ http://www.step.aich[...]



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