4. Ununoctium 이후 원소와 island of stability
사실 최근에 합성된 원소들은 가장 긴 동위원소조차 반감기가 매우 짧아 연구에 어려움이 존재한다. 이렇게 짧은 시간 존재하는 원소들은 화학적 성질을 조사하기도 어려울 뿐 아니라 설령 밝혀낸다 하더라도 산업적으로 응용될 여지가 거의 없다. 그러면 왜 계속 연구를 하는가 ?
(중원소들의 가장 반감기가 긴 동위원소들의 반감기. Meitnerium 이후로는 1분이 넘는게 없다. 단 109 - 118 번 사이 원소들은 더 반감기가 긴 동위 원소들이 있는데 아직 발견 못했을 가능성이 있다. 출처 : Wiki)
여기에는 몇가지 이유가 있다. 일단 과학자들이 생각하기에 더 높은 원자 번호를 지닌 원소들 가운데는 비교적 안정적으로 존재할 가능성이 있는 island of stability 가 존재한다. 여기서 방사성 붕괴와 불안정한 원자핵에 대해서 좀더 알아보자
원자핵의 방사성 붕괴는 (radioactive decay) 원자핵이 알파, 베타, 감마선을 방출하면서 다른 핵종으로 변하는 것을 의미한다. 자연계에 존재하는 원소들 가운데는 안정된 원소로써 방사성 붕괴를 하지 않는 것과 방사성 붕괴를 하는 것들이 있다.
예를 들어 양성자 하나로 구성된 수소 원자핵 (1H)은 방사성 붕괴를 하지 않는다. 우주에 존재하는 대부분의 수소가 1H 이며 이는 빅뱅 당시 생성된 원자가 지금까지 안정되게 남아있는 것이다. 여기에 중성자와 양성자 하나로 구성된 중수소 (2H ) 의 경우 역시 안정 동위체로 방사성 붕괴를 하지 않는 동위원소이다.
하지만 중성자 2개와 양성자 하나로 구성된 삼중 수소 (3H ) 의 경우 베타 붕괴를 통해 헬륨 - 3 로 붕괴된다. (반감기는 12.32 년) 또 4H 나 7H 와 같은 극히 불안정한 수소의 동위원소들도 곧 방사선 붕괴를 통해 다른 원소로 변한다. 이렇게 동위 원소 가운데 방사선 붕괴를 하는 것들을 방사성 동위 원소라고 하며 일정량의 방사성 동위원소의 수가 절반이 되는 시간을 반감기라고 부른다.
주기율표에서 원자 번호가 아주 높은 중원소, 특히 원자 번호 109번 이상의 무거운 동위 원소들은 반감기가 긴 것도 1분도 안될 정도로 짧다. 이렇게 큰 원자핵들은 대개 불안정하다.
(원소 주기율표에서 원자 번호가 높은 중원소의 동위 원소들은 대개 모두 불안정하다. 위에서 기준으로 삼은 건 가장 안정안 동위 원소
Stable elements.
Radioactive elements with half-lives of over four million years.
Half-lives between 800 and 34,000 years.
Half-lives between 1 day and 103 years.
Half-lives ranging between a minute and 1 day.
Half-lives less than a minute.
CCL 에 따라 복사 허용. 저자 표시 Periodic_Table_Armtuk3.svg: Armtuk )
하지만 과학자들은 보다 높은 원자 번호의 원소라도 안정적일 수 있는 원소가 있을 것으로 기대하고 있다. 이른바 Magic number 에 해당하는 원소들은 꽤 안정적이다. 이것은 핵자 (nucleon 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자)의 수가 양성자든 중성자든 간에 2,8,20,28,50,82,126 인 경우이다. 이 경우 핵자끼리의 결합력이 강해져 쉽게 붕괴되지 않는 안정한 원소가 된다.
특히 여기서 주목할 숫자는 126번으로 양성자가126 개 있는 중원소 가운데는 상당히 안정된 동위 원소가 존재할 가능성이 있다. 또 다음번 magic number 로 예상되는 184 번의 경우 184개의 중성자를 지닌 원자핵을 가져서 매우 안정적으로 존재할 것으로 예상되는 원자번호 114,120,126번이 있을 수 있다.
경우에 따라 양성자와 중성자 모두가 magic number 에 해당되는 doubly magic 이 존재하는데 대표적인 것이 납 - 208 (208Pb)이다. 이 경우 양성자 82개와 중성자 126개가 모여 극도로 안정한 원자핵을 만든다. 이 원소는 무거운 원소 가운데서 가장 안정적이므로 우라늄 같은 무거운 방사성 동위원소가 붕괴되는 마지막 과정은 납이 되는 것이다.
따라서 매직 넘버에 해당되는 원자번호 100번 이상의 중원소 가운데 혹시 수백만년의 반감기를 지닌 아주 안정한 동위 원소가 있을 가능성도 있다. 어쩌면 이 원소들 가운데는 지금까지 알려지지 않은 성질을 가진 독특한 원소들이 존재할 지도 모른다. 지구가 생성된 이래 46억년이 지났기 때문에 이런 원소들은 이제 거의 남아있지 않아서 우리가 모를 뿐 어떤 재미있는 성질을 가진 원소가 기다릴지는 아무도 모른다.
(Island of stability. 즉 안정성의 섬. 높은 원자 번호를 지닌 원소중에는 초중량 원소이지만 비교적 안정한 동위 원소가 존재할 수 도 있다. 물론 지금까지는 이론상의 존재이고 실제로 증명한 바는 없다 CC-BY-2.5; GFDL-WITH-DISCLAIMERS; Released under the GNU Free Documentation License. Original uploader was Xanthine at en.wikipediaLater version(s) were uploaded by McLoaf at en.wikipedia )
앞서 설명한 Ununoctium 같은 경우도 다른 동위 원소들은 더 안정할 것으로 예상한다. 예를 들어 293Uuo, 295Uuo, 296Uuo, 297Uuo, 298Uuo, 300Uuo, 302Uuo 같은 경우이다. 과학자들은 더 안정한 Uuo 의 원자를 합성하기 위해 연구하고 있다.
5. 8주기 생성 시도 및 Extended periodic table
현재까지 주기율표는 7주기 18족까지만 있다. 그러나 원자번호 119번을 합성하는 순간 8 주기라는 새로운 주기가 시작된다. 과학자들의 예상으로는 이 8 주기는 이전 주기와 다른 화학적 특징을 가지고 있을 가능성이 있어 장주기형 주기율표에 새로운 변화가 불가피하다. 이것을 확장 주기율표 (Extended periodic table) 이라 말한다.
(Extended periodic table 클릭하면 원본. 출처 : wiki)
Extended periodic table 큰 그림으로 보기 :http://en.wikipedia.org/wiki/Extended_periodic_table_%28large_version%29
그러면 핵이 무한이 커질 수도 있을까 ? 현재까지는 모두 이론적인 연구이지만 아마도 원자 번호 173번 이상 더 큰 핵이 존재하기는 어려울 것으로 예상한다. 그래서 확장 주기율표라도 일단은 173번까지만 있고 주기는 9주기 초반에서 끝나게 된다. 미국의 핵물리학자 Glenn T. Seaborg 는 원자 번호 130 번까지는 존재할 가능성이 높으며 173번 보다 높은 원자 번호는 아마 존재하기 어려울 것으로 예상했다.
아무튼 이것이 실제로 존재한다면 원자번호 121 번 부터 138 번까지 18개의 새로운 족이 생기는 셈이다. 그 화학적 성질이 어떨지는 아직은 확실히 알수 없고 추정할 뿐이다. 이들은 g block 이라 불린다. 과학자들은 이 원소들이 이전 주기 원소들과는 매우 다른 성질을 가지고 있을 가능성에 주목하고 있다.
Ununennium
: 원자번호 119번이라는 뜻. 약자 Uue. 1985 년 이를 합성하기 위해 Es + Ca 의 충돌 실험이 있었으나 결국 밝혀내는 데 실패했다.
Unbinilium
: 원자번호 120 번이라는 뜻. 약자 Ubn. 2007 년 두브나 팀이 이를 합성하기 위해 아래 처럼 시도했으나 역시 실패했다.
Unbihexium
: 앞서 언급한 매우 안정할 가능성이 있는 무거운 원소이다. 그러나 현재까지는 합성에 실패했다. 약자는 Ubh.
앞으로 8 주기 원소들이 언제 합성될지는 알 수 없지만 아주 먼 미래는 아닐 것으로 생각된다. 사실 어떤 원소든 새로 합성만 하면 8주기에 속할 것이다. 7 주기 까지는 완성되었으니 말이다. 8주기 원소 합성에 성공했다는 뉴스가 곧 들리기를 기대하면서 글을 마치겠다.
댓글
댓글 쓰기