Thulium(Tm), 69-툴륨

원자번호 69번의 원소 툴륨(thulium)은 1879년에 스웨덴의 클레베(Cleve)가 이트리아(이트륨 산화물)에 포함된 불순물에서 홀뮴(Ho)과 함께 분리·발견한 원소이다. 스웨덴이 속한 스칸디나비아(Scandinavia)를 가리키는 옛 이름 툴레(Thule)를 따서 원소 이름이 지어졌다. 한편, 스칸디나비아의 현재 이름을 딴 원소, 스칸듐(Sc)도 있는데, 툴륨과 스칸듐은 공교롭게도 같은 해에 같은 광석에서, 그러나 각각 다른 스웨덴 화학자에 의해 발견되었다. 툴륨은 희토류 원소 중에서 자연에는 거의 존재하지 않는 프로메튬(Pm)을 제외하고는, 루테튬(Lu)과 함께 가장 희귀하고 값이 비싸다. 의료용 레이저, 휴대형 X-선 발생원, 유로화 지폐의 위조 방지용 푸른색 형광체 등으로 주로 쓰이며, 앞으로 차세대 광섬유 증폭기와 전자 재료 등으로도 요긴하게 사용되리라 예상된다. 툴륨의 발견, 물리 및 화학적 성질, 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 69번, 툴륨 툴륨(Thulium)1)은 원자번호 69번의 원소로, 원소기호는 Tm이다. 주기율표에서 란타넘족에 속하는 희토류 원소의 하나로, 중(重)희토류 원소에 속한다. 광택이 나는 은회색 금속으로, 칼로 자를 수 있을 정도로 무르고 연성과 전성이 있다. 녹는점은 1545oC이고, 끓는점은 1950oC이며, 25oC에서 밀도는 9.32g/cm3이다. 32K이하에서는 강자성(ferromagnetic)이고, 32~56K에서는 반강자성(antiferromagnetic)이며, 56K이상에서는 상자성(paramagnetic)이다. 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 한다. 공기 중에서 실온에서는 비교적 안정하나, 150oC 이상에서는 쉽게 타서 산화툴륨(III)(Tm2O3)가 된다. 물과는 느리게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화툴륨(Tm(OH)3)이 되며, 산과는 보다 빠르게 반응하여 수소를 발생시키면서 녹아 Tm3+가 된다. 물에서 Tm3+ 이온은 9개의 물 분자가 배위된 [Tm(H2O)9]3+로 존재하는데, 연한 녹색을 띤다. 여러 금속 및 비금속 원소들과 다양한 이성분 화합물을 만들며, 화합물에서는 주로 +3가 상태로 존재하나, +2가 상태의 화합물들도 고체 상태에서는 알려져 있다.

원소번호 69번 툴륨 <출처: Topic/Corbis>

툴륨의 원소정보

툴륨의 지각에서의 존재비는 약 0.5ppm(0.00005%)이며, 대략 61번째로 존재량이 많은 원소이다. 희토류 원소 중에서는, 천연으로는 극미량만 존재하고 인공적으로 얻어지는 프로메튬(Pm)을 제외하고는, 루테튬(Lu)과 함께 가장 희귀한 희토류 원소이다. 그러나 은(Ag)보다는 약 5배, 금보다는 약 200배나 많이 존재한다. 툴륨은 가돌리나이트(gadolinite), 육세나이트(euxenite), 제노타임(xenotime), 모나자이트(monazite) 등의 희토류 광석에 조금씩 들어있는데, 대표적인 희토류 광석인 모나자이트에는 약 0.007%, 그리고 희토류광(bastnäsite)에는 이보다도 훨씬 적은 약 0.0008%의 비율로 들어있다. 최근에는 중국 남부의 이온 흡착 점토가 희토류 원소들의 주요 자원이 되었는데, 여기서는 들어있는 전체 희토류 양의 약 65%를 이트륨이 차지하고 툴륨은 약 0.5%를 차지한다. 전세계 툴륨 매장량은 약 10만 톤으로 추정되며, 연간 생산량은 산화물로 환산해서 약 50톤인데 대부분이 중국에서 생산된다. 툴륨은 가격이 비싸지만 몇 가지 중요한 용도로 사용된다. 가장 중요한 용도는 고체상태 레이저인데, 툴륨 레이저에서 방출되는 빛의 파장은 물에 잘 흡수되므로 조직 표면만을 제거하는 데 아주 효율적이어서 여러 유형의 레이저 시술에 사용되며, 군사 및 기상 관측용으로도 쓰인다. 한편, 천연동위원소 169Tm에 중성자를 쪼여서 얻는 인공 방사성 동위원소 170Tm과 171Tm는 휴대형 X-선2) 장치의 X-선 방출원으로 의료 및 치과 진단, 기계 및 전자 부품의 비파괴 검사 등에 사용되며, 근접방사선 요법(brachytheraphy)을 통한 암 치료에도 점차 널리 사용되고 있다. 툴륨을 첨가한 황산칼슘은 방사선량 계에 사용되며, 툴륨 화합물은 유로화 지폐에서 위조 방지를 위해 자외선에서 푸른색 형광을 내는데도 사용된다. 또한 툴륨이 첨가된 광섬유 증폭기(TDFA)는 차세대 광섬유 통신의 핵심 요소가 될 것으로 기대된다. 이외에도 툴륨은 자기 냉각소자, 고온 초전도체, 마이크로파 소자용 페라이트, 일부 초합금, 스튜디오와 무대용 조명 램프 등에 사용된다.

휴대형 X-선 장치로 검사하는 군인의 모습

툴륨의 발견과 역사 툴륨은 1879년에 스웨덴 화학자 클레베((Per Teodor Cleve, 1840~1905)에 의해 어비아(erbia, 산화어븀)에 포함된 불순물로 홀뮴과 함께 발견되었다. 어비아는 이보다 36년 전인 1843년에 모산데르(Carl Gustaf Mosander, 1797~1858)에 의해 이트리아(yttria, 산화이트륨)에 포함된 불순물로 터비아(terbia, 산화터븀)와 함께 분리∙발견된 물질이다. 이처럼 희토류 원소들은 대부분 단일 물질이라 여겼던 금속 산화물에 불순물로 들어있던 것들을 산화물로 분리함으로써 발견되었다. 클레베는 어비아에서 구한 어븀(Er)의 원자량이 어떤 어비아를 사용했는가에 따라 약간씩 차이가 나는 것을 보고, 이는 어비아에 들어있는 불순물 때문이라 짐작하여 이를 분리·확인하고자 하였다. 그는 모산데르가 이트리아에서 어비아, 터비아를 분리해낸 방법과 비슷한 방법으로, 어비아를 녹인 용액에 암모니아를 가해 산화물의 염기성에 따라 흰색, 갈색, 녹색의 3가지 산화물로 분리하였다. 그는 원래의 이트리아란 이름을 흰색 산화물에 그대로 쓰고, 염기성이 보다 큰 갈색 산화물을 자신의 고향인 스톡홀름(Stockholm)의 옛 라틴 이름 홀미아(Holmia)를 따서 홀미아(holmia)라 하고, 염기성이 가장 적은 녹색 산화물은 스칸디나비아의 옛 이름 툴레(Thule)를 따서 툴리아(thulia)로 명명하였다. 그리고 홀미아(holmia)와 툴리아(thulia)를 이루는 금속 원소들을 각각 홀뮴(holmium, Ho)과 툴륨(thulium, Tm)으로 명명하였다. 흥미롭게도, 스칸디나비아의 현재 이름을 딴 원소인 스칸듐(scandium, Sc)도 같은 해에 스웨덴 화학자 닐손(Lars Fredrik Nilson, 1840~1899)에 의해 가돌리나이트 광석에서 분리된 산화물에서 발견되었다. 순수한 툴륨은 미국 뉴햄프셔(New Hampshire) 대학의 제임스(Charles James, 1880~1928)에 의해 1910년(발표는 1911년)에 처음으로 얻어졌는데, 이에 따라 툴륨의 정확한 원자량도 구해졌다. 제임스가 순수한 툴륨을 얻기 위해 브로민산염을 무려 15,000번이나 재결정했다는 얘기는 아직도 유명한 일화로 남아있다. 고순도의 산화툴륨(Tm2O3)이 상업적으로 판매되기 시작한 것은 이온교환 방법으로 희토류 원소들을 보다 편리하고 저렴한 비용으로 분리하기 시작한 1950대 후반 이후이다.

고순도 툴륨 입방체(왼쪽)와 금속 툴륨 (오른쪽). <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

물리적 성질 툴륨은 밝은 은회색 광택이 나는 금속으로, 칼로 자를 수 있을 정도로 무르며 전성과 연성이 있어 쉽게 가공할 수 있다. 녹는점은 1545oC이고, 끓는점은 1950oC인데, 희토류 원소 중에서는 이터븀(Yb, 녹는점 824oC, 끓는점 1196oC)다음으로 액체로 존재하는 온도 범위가 좁다. 액체는 휘발성이 크다. 25oC에서 밀도는 9.32g/cm3이고, 녹는점에서의 밀도는 8.56g/cm3이다. 32K이하에서는 강자성(ferromagnetic)이며, 32~56K에서는 반강자성(antiferromagnetic)이고, 56K이상에서는 상자성(paramagnetic)이다. 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 한다. 동위원소 천연상태에서 툴륨은 안정한 동위원소인 169Tm로만 존재한다. 질량수가 145~179사이에 있는 34가지의 인공 방사성 동위원소들이 알려져 있는데, 반감기가 긴 것들은 171Tm(반감기 1.92년), 170Tm(반감기 128.6일), 168Tm(반감기 93.1일), 167Tm(반감기 9.25일)이며, 나머지들은 반감기가 64시간보다 짧다. 안정한 동위원소인 169Tm보다 질량수가 작은 동위원소들은 주로 전자포획 또는 β+ 붕괴를 하고 원자번호 68인 어븀(Er) 동위원소가 되나, 질량수가 153~156인 동위원소들의 일부는 α-붕괴를 하고 원자번호 67인 홀뮴(Ho) 동위원소가 되기도 한다. 169Tm보다 질량수가 큰 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 원자번호 70인 이터븀(Yb) 동위원소가 된다. 준안정한 들뜬 상태의 핵이성체들도 14가지가 알려져 있는데, 반감기가 긴 것들은 164mTm(반감기 5.1분), 160mTm(반감기 74.5초), 155mTm(반감기 45초)이다. 170Tm와 171Tm는 천연 동위원소인 169Tm에 중성자를 쪼여 얻는데, 휴대형 X-선 장치의 X-선 발생원으로 유용하게 사용된다.

화학적 성질

툴륨은 대부분의 다른 희토류 금속에 비해서는 잘 산화되지 않는 편으로, 건조한 공기에서는 비교적 안정하다. 그러나 150oC 이상에서는 쉽게 타서 연한 녹색의 산화툴륨(III)(Tm2O3)이 된다. 화합물에서는 주로 +3가 상태로 존재하나, +2가 상태의 화합물들도 고체 상태에서는 알려져 있다. 찬물과는 느리게, 그러나 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화툴륨(Tm(OH)3)이 되며, 산과는 보다 빠르게 반응하여 수소를 발생시키면서 녹아 Tm3+가 된다. 수화된 Tm3+ 이온([Tm(H2O)9]3+)은 연한 녹색을 띤다. 할로겐 원소들과도 실온에서는 느리게, 그러나 200oC이상에서는 격렬하게 반응하여 삼할로겐화물(TmX3)이 된다. 여러 금속 및 비금속 원소들과 다양한 이성분 화합물을 만들 수 있다. 예로, 수소(H2)와는 TmH2와 TmH3를, 탄소(C)와는 TmC2와 Tm2C3를, 붕소(B)와는 TmB4, TmB6, TmB12를, 질소(N2)와는 TmN을, 그리고 황(S)와는 TmS를 만든다. Tm3+ 의 표준 환원전위(Eo)는 다음과 같다. Tm3+ + e- Tm2+ Eo = -2.3 V Tm3+ + 3 e- Tm Eo = -2.32 V

툴륨의 바닥 상태 전자 배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

툴륨의 생산 툴륨은 주로 모나자이트에서 분리해서 얻는데, 모나자이트에 들어있는 툴륨의 양은 단지 약 0.007%이 불과하다. 최근에는 중국 남부에 널리 퍼져있는 이온-흡착 점토에서도 생산되는데, 여기에 들어있는 전체 희토류 중 65%가 이트륨이고 툴륨은 0.5%를 차지한다. 툴륨은 광석에 들어있는 양이 워낙 적어 그 자체만 별도로 얻기보다는 주로 다른 희토류 원소 생산의 부산물로 분리·생산된다. 분별 결정에 의해 툴륨을 분리하기가 아주 복잡하고 어렵기 때문에, 이의 상업적 생산은 이온교환 방법이 적용된 1950년대 후반에야 시작되었다. 분리된 툴륨은 주로 산화툴륨(Tm2O3) 형태로 전환되어 판매된다. 금속 툴륨은 처음에는 산화툴륨을 금속 란타넘과 함께 가열하여 얻었다. Tm2O3 + 2 La → 2 Tm + La2O3 그러나 지금은 삼염화툴륨(TmCl3)이나 삼플루오르화툴륨(TmF3)을 칼슘(Ca)과 함께 비활성 기체 하의 탄탈럼 용기에서 가열하여 얻는데, TmF3를 사용하는 것이 공정상 보다 편리하다. 2 TmF3 + 3 Ca → 2 Tm + 3 CaF2 툴륨의 전세계 매장량은 약 10만 톤으로 추정되며, 연간 툴륨 생산량은 산화물로 환산하여 약 50톤인데 대부분이 중국에서 생산되고 미국, 호주, 브라질, 인도, 스리랑카 등에서도 소량 생산된다. 툴륨은 루테튬(Lu)다음으로 값비싼 희토류 금속으로, 1959~1998년 기간에 99.9% 순도의 1kg 당 가격이 미화로 4,600~13,300$이었다. 2012년 12월 현재의 가격은 산화툴륨(Tm2O3)이 대략 14,000$/kg이고, 금속 툴륨은 40~50 $/g이다.

툴륨은 모나자이트 광석에서 얻는데, 모나자이트에는 툴륨이 약 0.007% 비율로 들어 있다. <출처: (cc) Rob Lavinsky / iRocks.com>

툴륨의 용도 툴륨은 가격이 비싸므로 다른 희토류 원소를 대신 사용할 수 없는 경우에 한하여 주로 사용되는데, 주요 용도는 레이저, 푸른색 형광체, 휴대형 X-선 장치, 차세대 광섬유 통신 증폭기 등이다. 레이저 +3 상태의 툴륨(Tm), 크로뮴(Cr), 홀뮴(Ho) 이온이 첨가된 야그(YAG, Yttrium-Aluminum-Garnet: Y3Al5O12)를 이득물질(레이저를 만들기 위해 사용하는 에너지 축적 물질)로 사용하는 고체상태 레이저는 아주 효율이 높은 레이저로 파장이 대략 2100nm인 강한 적외선을 방출한다. 첨가물의 조성은 레이저마다 약간씩 차이가 나는데, 보통은 Tm3+가 약 5.9%, Cr3+이 약 1%, 그리고 Ho3+이 약 0.35%이다. 이외에도 툴륨을 첨가한 물질을 사용하는 고체상태 레이저들이 여럿 있는데, 이들도 1.93 ~2.04μm의 고출력 레이저 광을 효율적으로 방출한다. 툴륨 레이저는 훌륨 레이저와 파장이 거의 같은데, 이 파장의 레이저는 눈에 안전하며, 물에 잘 흡수되므로 조직에서의 침투 깊이가 작고 지혈 효과가 커서 작은 면적의 조직을 아주 정밀하게 가열하여 표층을 제거할 수 있다. 따라서 이들은 비대해진 전립선 적층술, 요도 결석의 파쇄, 피부 미용 시술 등에 널리 사용되는데, 툴륨 레이저는 홀륨 레이저에 비해 광 특성이 좋고, 보다 정밀한 조직 절개가 가능하며, 연속/펄스 방식으로 작동하는 등의 장점이 있다. 툴륨 레이저는 또한 광선 레이더(LIDAR, light detection and ranging), 풍속 측정과 대기 감시에도 사용된다. 또한 툴륨이 첨가된 광섬유 레이저도 1900~2100nm의 레이저 광을 방출하는 혁신적 고출력 레이저로 부각되고 있다. 툴륨을 첨가한 레이저는 높은 온도에서도 잘 작동해서 냉각이 덜 필요하므로 인공위성에서 지구 표면의 사진을 얻는데도 사용된다. 조명과 형광체 +3가 상태의 툴륨이 들뜨게 되면 형광을 내는데, 평판 스크린에서 푸른색을, 그리고 X-선을 쪼인 경우는 근자외선인 375nm와 푸른색인 474nm의 빛을 낸다. 이런 특성으로 인해 툴륨은 조명, 형광체, 방사선 검출 등에 사용된다. 아이오딘화툴륨(TmI3)을 사용하는 금속 할로겐화물 램프(halide lamp)는 다른 원소로는 얻기 어려운 녹색광을 내므로, 조명 디자이너들이 유용하게 사용한다. 또 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 툴륨의 아이오딘화 화합물들을 사용하는 램프는 스포츠 경기장, 영화 촬영, 스튜디오(studio)와 무대 등의 조명에 사용된다. 한편, 툴륨을 첨가한 옥시브로민화란타넘(LaOBr)은 X-선 증감 화면의 형광체로 사용된다. 그리고 툴륨이 첨가된 황산칼슘은 아주 작은 양의 방사선에 의해서도 형광을 내므로, 개인별로 부착하는 방사선 검출 배지(badge) 등의 방사선량 계에 사용된다. 또 Tm3+ 화합물은 유로화 지폐에 위조 방지를 위한 무늬를 그리는데도 들어가는데, 이 무늬는 자외선을 쪼이면 푸른색 형광이 난다. 휴대형 X-선 방출원 반감기가 각각 128.6일과 1.92년인 인공 방사성 동위원소 170Tm과 171Tm는 휴대형 X-선2) 장치의 X-선 방출원으로 사용된다. 이들 동위원소들은 중성자를 잘 흡수하는 천연 툴륨 동위원소 169Tm에 중성자를 쪼여 얻는데, 보통 169Tm2O3를 표적으로 사용한다. 이들 방사성 툴륨 동위원소들은 β- 붕괴를 하면서 X-선에 해당하는 감마선을 방출하는데, 이들 감마선은 에너지가 작아 간단한 납 차단제로도 쉽게 차단되므로 휴대형 X-선 장치의 X-선원으로 사용된다. 이들 휴대형 X-선 장치는 비록 비용이 많이 들지만 전기가 공급되지 않는 조건에서도 요긴하게 사용될 수 있어, 의료 및 치과 진단, 기계 및 전자 부품의 비파괴 검사 등에 사용된다. 170Tm은 또한 근접방사선 요법(brachytheraphy: 방사선을 내는 물질을 몸 안이나 피부에 부착시켜 원하는 부위에 방사선을 쪼이는 치료 방법)을 이용한 암 치료에도 점차 널리 사용되고 있다. 그리고 170Tm과 171Tm는 에너지원으로도 이용될 수 있다. 광섬유 통신 툴륨은 광섬유 증폭기에도 사용되는데, 이를 툴륨-첨가 광섬유 증폭기(Thulium-doped fiber amplifier, TDFA)라 부른다. 이는 플루오린화 유리 섬유에 첨가된 툴륨 이온(Tm3+)을 1047 또는 1400nm 빛으로 광펌핑(optical pumping)하면 1460~1530nm 영역의 레이저 광을 방출하는 것을 이용한 것인데, 이로써 기존의 ‘어븀-첨가 광섬유 증폭기(Erbium-doped fiber amplifier, EDFA)의 이득 대역폭(1530~1560nm, C-대역)을 이와 인접한 S+ 대역(1450~1480nm)과 S 대역(1480~1520nm)으로까지 확대 가능하게 한다. 따라서 앞으로 차세대 광섬유 통신에서 매우 중요하게 이용될 것이 기대된다. 기타 응용 툴륨은 고온초전도체에서 이트륨과 비슷하게 사용되고 있으며, 마이크로파 소자용 페라이트(ferrite), 세라믹 자성재료에도 이트륨-철 합금과 비슷하게 사용될 수 있고, 일부 초합금(superalloy: 초고온에서도 견디는 내열성이 큰 합금)에 들어가기도 한다. 많은 툴륨의 용도가 최근에야 개발되었듯이, 앞으로 여러 유용한 새로운 용도가 더욱 많이 개발되리라 기대된다.

휴대형 X-선 장치. 툴륨 동위원소 ¹⁷⁰Tm과 ¹⁷¹Tm은 휴대형 X-선 장치의 X-선 발생원으로 사용되는데, 이들은 천연 툴륨인 ¹⁶⁹Tm에 중성자를 쪼여 만든다.
<출처: (cc) RadXman at wikimedia.org>

툴륨 화합물 툴륨은 주로 +3가 상태의 화합물을 만드나, +2가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 비교적 흔히 사용되는 화합물로는 산화물과 할로겐화물들이 있다. 산화물 툴륨은 주로 +3가 상태의 산화물인 Tm2O3로 생산되어 판매된다. Tm2O3는 가끔 툴리아(thulia)라고도 불리는데, 금속 툴륨을 공기 중에서 태우거나 옥살산툴륨(Tm2(C2O4)3이나 질산툴륨(Tm(NO3)3)과 같은 툴륨의 산소산 염을 열 분해시켜 얻을 수 있다. 녹는점은 2341oC로 열적으로 안정하며, 연한 노란색을 띤다. 물에는 녹지 않으며, 강산에 약간 녹아 대응하는 염이 된다. 유리 및 세라믹 재료, 광섬유 증폭기, 레이저, 형광체 등에 첨가제로 사용된다. 할로겐화물 툴륨은 4가지 할로겐 원소(X2) 모두와 반응하여 삼할로겐화물(TmX3)을 만든다. 이중 TmCl3와 TmI3는 노란색이고 TmF3와 TmBr3는 흰색이다. TmCl3는 Tm2O3를 염산에 녹여 얻는데, 녹는점이 TmX3 중 가장 낮은 824oC이며, YCl3(AlCl3) 층 구조를 한다. 물에 잘 녹으며, 다른 툴륨 화합물을 얻는 원료물질로 사용되고, 유리, 형광체, 레이저, 광섬유 증폭기 등에 툴륨 첨가제로 사용된다. TmF3는 Tm3+ 수용액에 HF를 첨가하면 침전으로 얻어지는 화합물로, 물에 잘 녹지 않으나 강산에는 약간 녹는다. 금속 툴륨을 생산하는데 사용되며, 플르오린화 유리의 툴륨 첨가제로 사용되고, 옥시플루오린화 유리 세라믹에서 중적외선(mid-IR) 방출을 높이는데도 사용된다. TmBr3와 TmI3는 Tm2O3를 각각 HBr과 HI에 녹여 얻는데, 모두 물에 잘 녹는다. 툴륨 첨가제로 사용되며, TmI3는 툴륨 할라이드 램프에도 사용된다. TmX3 (X=Cl, Br, I)를 금속 Tm이나 알칼리 금속으로 환원시키면 툴륨의 산화수가 +2인 TmX2형의 화합물들이 얻어진다. TmCl2와 TmBr2는 녹색이며, TmI2는 검은색이다. 녹는점은 TmCl2이 718oC이고 TmI2는 756oC로 아주 안정한 화합물인데, 이들이 실용적으로는 사용된 예는 거의 없으나, TmI2가 고리형 방향족 탄화수소를 환원시킨다는 보고가 있다. 이들 외에도 아세트산염, 질산염, 황산염, 옥살산염, 탄산염 등의 툴륨 염들이 제조되어 사용되고 있다.

생물학적 역할과 독성 툴륨은 인체에 극미량 들어있으며, 대사에 영향을 미칠 수 있다는 보고가 있으나, 구체적인 생체 내 역할은 아직 알려진 것이 없다. 수용성 툴륨 화합물을 많은 양 섭취하면 약간의 독성을 나타내나, 물에 녹지 않는 화합물은 독성이 없는 것으로 여겨진다. TmCl3·7H2O의 쥐에 대한 섭취시 치사량(LD50)은 6.25g/kg이다. 채소에는 건조 무게 대비 1ppb(1톤당 1mg) 정도로 미량의 툴륨이 들어 있어, 사람이 1년간 섭취하는 양은 수 mg에 지나지 않는다.

1. 수치로 보는 툴륨

   툴륨의 표준원자량은 168.9342g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹³6s²([Xe]4f¹³6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이나, +2가 상태의 화합물들도 있다. 지각에서의 존재 비는 약 0.5ppm(0.00005%)로, 루테튬과 함께 가장 희귀한 희토류 원소이다. 1기압에서 녹는점은 1545^oC이고 끓는점은1950^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 9.321g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 8.56g/cm³이다. 32K 이하에서는 강자성을, 32~56K에서는 반강자성을, 그리고 56K 이상에서는 상자성을 보인다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 596.7, 1160, 2285kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 1.25이다. 원자 반경은 175.9pm(비교: Er, 176.1pm; Yb, 176pm)이며, 6배위체의 Tm³⁺ 이온 반경은 88.0pm(비교: Er³⁺, 89.0pm; Yb³⁺, 86.8pm)이다. Tm³⁺/Tm²⁺와 Tm³⁺/Tm의 표준 환원 전위는 각각 -2.3과 -2.33V이다. 천연상태에서는 안정한 동위원소인 ¹⁶⁹Tm로만 있다. 산화물로 환산한 전세계 연간 생산량은 약 50톤이고, 광석 매장량은 약 10만 톤으로 추정된다.

2. X-선 (X-Ray)

   파장이 0.01~10nm인 전자파를 말하며, 주파수는 3x10¹⁶~ 3x10¹⁹Hz, 광자 에너지로는 100eV~100keV인 전자파이다. 파장이 자외선보다는 짧고(에너지가 크고) 감마선보다는 길다(에너지가 작다). X-선은 투과력이 좋으므로 물체의 내부를 투시하는데 사용되고, 과학에서는 물질 분석과 구조 결정에 X-선 형광법과 X-선 회절법이 각각 중요하게 사용된다. X-선은 보통 X-선관(진공관) 내에서 뜨거운 음극으로부터 방출되는 전자를 높은 전압으로 가속시키고 이를 금속 표적에 충돌시켜 발생시킨다. 핵의 방사성 붕괴에서 방출되는 감마선의 파장이 0.01nm보다 긴 경우는 이를 X-선이라 부르기도 하는데, ¹⁷⁰Tm과 ¹⁷¹Tm에서 방출되는 X-선이 그 예이다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일 2013.01.09

 

 

Thulium Atomic Weight 168.93421 Density 9.321 g/cm3 Melting Point 1545 °C Boiling Point 1950 °C Full technical data Thulium is among the most obscure elements in the periodic table. It has very few applications. Some people consider it the most useless of all naturally occurring elements, though others will rush to its defense. Scroll down to see examples of Thulium.