Americium(AM), 95- Am(아메리슘)

원자번호 95번의 원소 아메리슘(americium, Am)은 넵투늄(Np), 플루토늄(Pu) 다음의 세 번째 초우라늄(transuranium) 원소인데, 다음 원소인 퀴륨(Cm)보다 조금 늦게 발견되었다. 1944년에 플루토늄-239에 중성자를 쪼여 합성·발견되었는데, 주기율표에서 유럽(Europe)을 따서 명명된 유로퓸(europium) 바로 아래 있고 미 대륙(America)에서 발견된 연유로 원소 이름을 아메리슘으로 지었다. 핵 반응로에서 우라늄과 플루토늄으로부터 생성되어 사용 후 핵 연료에도 들어 있다. 따라서 이에서 분리해 낼 수도 있으나, 주로 플루토늄-239에 중성자를 쪼여 반감기가 432.2년인 아메리슘-241를 얻는다. 아메리슘은 인공적으로 합성된 초우라늄 원소로는 유일하게 가정용 제품에도 사용되는데, 화재 경보 장치의 일종인 이온화식 연기 감지기에 사용된다. 1그램의 이산화아메리슘(AmO2)으로 3백만 개 이상의 연기감지기를 만들 수 있다. 아메리슘은 또한 여러 산업용 측정기와 의료 진단 장비에 사용되며, 보다 무거운 초우라늄 원소들을 만드는 출발 물질로도 이용된다. 아메리슘의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 95번, 아메리슘 아메리슘(americium)1)은 원자번호 95번의 원소로, 원소 기호는 Am이다. 주기율표에서 악티늄족 원소(actinide 또는 actinoid)의 하나이며, 세 번째 초우라늄 원소이다. 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소로, 가장 안정한 동위원소는 반감기가 7370년인 243Am이다. 실용적으로 사용되는 동위원소는 반감기가 432.2년인 241Am이 유일하다.

 

원자번호 95번, 아메리슘. ‘아메리카’를 따서 이름을 지었다.

아메리슘의 원소정보

 

 

아메리슘은 비교적 무르고 광택이 나는 은백색 금속인데, 공기 중에서 느리게 산화되어 표면이 흐려진다. 물리-화학적 성질은 주기율표에서 바로 위에 있는 희토류 원소의 하나인 유로퓸(Eu)과 비슷하다. 녹는점은 1176℃이고 끓는점은 2610℃이며, 밀도는 13.67 g/cm3이다. 결정은 1기압, 실온에서는 이중 육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 가지나, 압력과 온도에 따라 구조가 변한다. 금속 및 고체화합물의 결정에서는 방사성 붕괴에서 방출되는 α입자의 작용에 의해 진성결함(intrinsic defect: 열역학적 효과에 의한 결함)이 생기게 되고, 여러 물리적 성질들이 시간에 따라 변한다. 산소와 잘 반응하고 산에 잘 녹는다. 화합물에서는 +2~+7의 산화상태를 가질 수 있는데, 수용액에서는 +3가 상태가 가장 안정하고 고체에서는 +3 또는 +4 상태가 안정하다. 대부분의 Am(III)염과 수산화물은 물에 녹지 않는다. 산화상태가 +4 이상인 화합물들은 강한 산화제이다. 수용액에서는 산화상태에 따라 색이 달라, 흡수 스펙트럼으로 산화상태를 쉽게 구분할 수 있다.   아메리슘은 핵 반응로에서 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)이 중성자를 흡수한 후 뒤이은 일련의 과정을 통해 만들어지는데, 이렇게 생성된 아메리슘이 사용 후 핵 연료 1톤당 대략 100g들어있다. 이들은 대부분이 241Am과 243Am이며, 사용 후 핵 연료를 재 처리하여 분리할 수 있다. 한편, 소량의 아메리슘은 핵 반응로에서 239Pu를 출발 물질로 하여 합성해서 얻는다. 239Pu는 2개의 중성자를 흡수하여 241Pu가 되며, 이는 β- 붕괴를 하여 241Am이 된다. 이때 241Am보다는 월등히 적은 양이지만 243Am도 생성되는데, 이를 분리해 내기는 매우 어렵다. 농축된 우라늄 광석에도 아메리슘이 극 미량 들어있는데, 이는 238U가 여러 개의 중성자를 흡수한 후 β- 붕괴를 하여 생성된 것이다. 또 대기권 핵실험 지역이나 체르노빌(Chernobyl)과 후쿠시마 핵 발전소 사고 지역 등에서도 극 미량의 아메리슘이 발견된다. 금속 아메리슘은 삼플루오르화아메리슘(AmF3) 또는 이산화아메리슘(AmO2)을 금속으로 환원시켜 얻는다.   241Am은 α붕괴를 하여 넵투늄-237(237Np)이 되며 이때 γ-선도 나오는데, 이 성질을 이용하여 실용적 목적에 사용된다. 241Am은 화재 경보 장치의 일종인 이온화식 연기 감지기(ionization smoke detector)에 사용되는데, 이는 광전식(photoelectric) 연기 감지기보다 값이 싸고 감도가 좋다. 또한 여러 방사선 의료 장비와 산업용 측정기에 γ-선, α-선, 중성자 발생원으로 사용되며, 보다 무거운 원소들을 합성하는 출발 물질로도 사용된다.

 

 

아메리슘의 발견과 역사 아메리슘은 1944년 늦 가을에 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 시보그(Glenn T. Seaborg, 1912~1999), 제임스(Ralph A. James), 모건(Leon O. Morgan, 1919~2002), 그리고 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010)에 의해 발견되었다. 그들은 버클리의 60인치 사이클로트론(cyclotron)을 이용하여 가속된 중성자를 플루토늄(239Pu)에 쪼인 후, 생성된 241Am를 시카고(Chicago) 대학의 야금연구소(Metallurgical Laboratory: 지금의 Argonne National Laboratory)에서 화학적으로 분리하고 확인하였다.     그리고 뒤이어 241Am에 중성자를 충돌시켜 또 다른 아메리슘 동위원소 242Am를 만들었는데, 이는 반감기가 16.02시간으로 β- 붕괴를 하고 96번 원소인 퀴륨의 동위원소 242Cm가 된다. 이 퀴륨 동위원소는 같은 연구진이 이보다 조금 앞선 같은 해 7-8월에 239Pu에 α입자를 쪼여 합성함으로써 처음 발견되었다.

 

239Pu에 중성자 또는 α입자를 쪼여 만들어진 241Am와 242Cm를 분리하는 것은 대단히 힘든 과정이었으나, 그들은 겨우 눈에 보일 정도의 양인 수 마이클로그램(μg)의 이들 원소의 화합물들을 얻었다. 이런 이유로 그들은 처음에는 아메리슘을 그리스어로 ‘아수라장’을 뜻하는 ‘pan daimonion’를 따서 판데모늄(pandemonium)으로, 그리고 퀴륨은 라틴어로 ‘미친’을 뜻하는 ‘deliriare’를 따서 데리륨(delirium)으로 불렸는데, 뒤에 현재의 이름으로 명명하였다. 아메리슘은 이 원소가 주기율표에서 유럽(Europe)을 따서 이름지은 유로퓸(europium) 바로 아래에 있고, 또 미 대륙(America)에서 발견되었으므로 붙여진 이름이며, 퀴륨은 퀴리(Curie) 부부를 기리기 위해 붙여진 이름이다. 참고로, 이들 원소들의 주기율표상의 위치를 보여주는 오늘날 사용되는 장주기형 주기율표는 시보그가 만든 것이다.   1944년에 이루어진 아메리슘과 퀴륨의 발견은 제2차 세계대전 때 수행된 미국의 원자탄 개발 연구인 맨해튼 계획(Manhattan project)과 밀접하게 연관되어 있어 비밀에 붙여졌으며, 종전 후인 1945년에 비밀이 해제되었다. 시보그는 이들 원소의 발견을 미국의 어린이 라디오 퀴즈 쇼(Quiz Kids)에서 처음으로 공개하였으며, 5일 후인 1945년 11월 11일에 미국화학회 모임에서 공식적으로 발표하였다. 1951년에는 1100℃, 고진공에서 AmF3를 바륨(Ba) 금속으로 환원시켜 금속 아메리슘을 처음 얻었는데, 그 양은 1 밀리그램도 되지 못하였다.

시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999). 아메리슘을 비롯한 여러 초우라늄 원소들의 합성과 발견에 주도적 역할을 하였으며, 이 공로로 1951년 노벨 화학상을 공동 수상하였고, 원자번호 106번 원소가 그의 이름을 따서 시보귬(seaborgium, Sg)으로 명명되었다.

 

 

물리적 성질 아메리슘은 광택이 나는 은백색 금속으로, 비교적 무르고 쉽게 구부릴 수 있다. 물리-화학적 성질은 유로퓸(Eu)과 비슷하다. 녹는점은 1176℃이고 끓는점은 2610℃이며, 밀도는 13.67 g/cm3이다. 결정은 온도와 압력에 따라 구조가 다른 3가지 형태로 있는데, 이들을 α, β, γ 또는 I, II, III 상이라 부른다. 1기압, 실온에서 가장 안정한 상은 α-형인데, 이는 이중육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 가지며, 770℃에서 면심입방(fcc) 구조를 갖는 β-형으로 변환되고 1075℃에서는 체심입방(bcc) 구조로 전이된다. 실온에서 압력을 높여도 구조 전이가 일어나는데, 5 GPa(약 5만 기압)에서 α-형은 면심입방(fcc) 구조를 하는 또 다른 β-형으로 변하고, 23GPa에서는 사방정(orthorhombic) 구조의 γ-형으로 변한다. β→γ 구조 전이에서는 부피가 6% 감소하는데, α→β 전이에서는 급격한 부피 변화가 관찰되지 않는다. α→β 전이 압력은 온도가 높을수록 낮아진다. 금속 및 고체화합물의 결정은 방사성 붕괴에서 방출되는 α입자의 작용에 의해 진성결함(intrinsic defect)을 갖게 되고, 따라서 여러 물리적 성질들이 시간에 따라 변하게 되는데 이는 낮은 온도에서 더욱 현저하다. 예로, 4.2K에서 241Am의 전기비저항이 처음에는 약 20 nΩ·m이다가 40시간 후에는 100 nΩ·m로 변하고, 160 시간 후에는 160 nΩ·m으로 거의 일정한 값에 도달하게 된다. 4K에서 실온까지의 넓은 온도 범위에서 상자기성(paramagnetic)을 보인다.   금속 아메리슘. 아메리슘은 광택이 나는 은백색 금속이나, 공기 중에서 쉽게 표면이 산화되어 금속 광택이 흐려진다. <출처:(cc) Bionerd at Wikimedia.org>

 

 

동위원소 질량수가 231~249인 19가지의 아메리슘 동위원소들이 알려져 있는데, 이들은 모두 방사성 동위원소이며 인공적으로 합성되었다. 가장 안정한 동위원소는 243Am(반감기 7370년)이며, 이와 241Am(반감기 432.2년), 240Am(반감기 50.8 시간)을 제외한 다른 동위원소들의 반감기는 1일보다 짧다. 8가지의 준 안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것이 242m1Am(반감기 142년)이고, 다른 것들은 반감기가 30분 이내이다. 질량이 홀수인 동위원소들은 핵 분열을 할 수 있고 임계 질량이 작은데, 이는 다른 악티늄족 원소에서도 비슷하다.   241Am보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획(또는 β+ 붕괴)을 하고 플루토늄(Pu) 동위원소가 되는데, 극히 일부는 α 붕괴를 하여 넵투늄(Np) 동위원소가 된다. 232Am과 234Am의 일부는 β+ 붕괴 후 자기 핵분열을 하기도 한다. 241Am는 주로 α붕괴를 하고 237Np가 되는데, 방출되는 α입자의 에너지는 85.2%가 5.486 MeV이고 12.8%는 5.443 MeV이다. 또한 α-붕괴로 준 안정한 핵 이성체가 생성되어, 여러 에너지 값(26.3~158.5 keV)의 γ-선도 방출된다. 241Am보다 무거운 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 퀴륨(Cm) 동위원소가 되는데, 242Am의 경우는 17.3%는 전자포획을 하고 242Pu가 되며, 243Am의 경우는 주로 α 붕괴를 하고 238Np가 된다. 242m1Am은 99.54%가 내부전환을 하여 242Am으로 붕괴되며, 나머지 0.46%는 α 붕괴를 하고 238Np가 되는데, 242m1Am은 239Pu보다도 임계 질량이 작은 핵 분열 물질로, 새로운 핵 로켓 연료로 사용할 수 있다는 주장도 있다. 가장 수명이 긴 동위원소인 243Am은 핵 연료 사이클에서 242Pu가 중성자를 흡수한 후 β- 붕괴를 하여 생성되는데, 이의 생성은 핵 연료의 연소도가 증가하면 급격하게 증가한다. 아메리슘 동위원소 중 가장 위험한 물질로 암을 유발할 수 있다.

 

 

화학적 성질

아메리슘의 바닥상태 전자배치 <출처: (cc) Greg Robson at Wikimedia.org>

아메리슘은 화학 반응성이 크다. 산소와 잘 반응하여 표면이 흐려지며, 산에 잘 녹는다. 화합물에서는 +2~+7의 산화상태를 가질 수 있는데, 수용액에서는 +3의 상태가 가장 안정하고 고체에서는 +3 또는 +4 상태가 안정하다. +2가 상태는 무수 화합물과 비수용액에서만 얻어진다. +3가 상태의 여러 염(예로, AmF3, Am2(C2O4)3, Am(OH)3, AmPO4, Am(IO3)3)들은 물에 잘 녹지 않는다. +4가 상태는 AmO2, AmF4, Am(OH)4 등의 안정한 고체화합물과 착화합물에서 주로 발견된다. +5와 +6인 산화상태는 KAmO2F2, Li3AmO4, Li6AmO6와 같은 착화합물 염에서 발견된다. 수용액에서 이온들은 산화 상태에 따라 색이 다른데, Am3+는 농도에 따라 무색에서 붉은색, Am4+는 붉은색, AmO2+는 노랑색, AmO22+는 갈색, 그리고 AmO65-는 진한 초록색을 띠고, 흡수 스펙트럼에서 각각 다른 특정 파장에서 피크를 보이므로 쉽게 구분된다. 산화수가 +4이상인 화합물은 산성 용액에서 과망가니즈 이온(MnO4-)과 비슷한 세기의 강한 산화제인데, 이들은 +3가 상태의 화합물을 묽은 질산에서 과황산암모늄((NH4)2S2O8), 과염소산에서 산화은(Ag2O), 또는 탄산소듐(Na2CO3) 용액에서 오존(O3)과 과황산소듐(Na2S2O8)으로 산화시켜 얻을 수 있다. 용액에서 Am4+는 쉽게 Am3+로 환원된다. 아메리슘은 다른 악티늄 원소들과 마찬가지로, 수소화물, 탄화물, 황화물 등을 잘 만든다. 산성 수용액에서 Am4+/Am및 Am3+/Am의 표준 환원전위(Eo)는 각각 -0.90 V와 -2.07 V이다.

 

 

아메리슘의 합성과 분리 아메리슘은 핵 반응로에서 우라늄 핵 연료가 연소되는 과정에서 238U로부터 239Pu를 거쳐 생성된다. 사용 후 핵 연료에는 이렇게 생성된 아메리슘이 1톤당 약 100g의 비율로 들어있는데, 대부분이 241Am과 243Am이며 이들은 사용 후 핵 연료를 재 처리하여 분리할 수 있다. 그러나 소량의 아메리슘은 239Pu을 출발 물질로 하는 핵 합성을 통해 얻는데, 239Pu에 중성자를 쪼이면 일부가 2개의 중성자를 흡수하여 241Pu(반감기 14.35년)이 되고, 이는 β- 붕괴를 하여 241Am이 된다. 사용 후 핵 연료에 들어있는 플루토늄의 약 12%는 241Pu인데, 시간이 지날수록 241Am이 생성되어 축적된다. 동시에 241Am은 중성자를 흡수하여 보다 무거운 아메리슘 동위원소로 전환되는데, 경수로 원자로에서는 241Am이 중성자 1개를 흡수하여 79%는 242Am이 되고 10%는 242mAm이 된다. 242Am는 반감기가 16시간으로 짧아 분리해내기는 어렵다. 243Am은 239Pu가 4개의 중성자를 흡수하여 생성된 243Pu(반감기 4.956시간)가 β- 붕괴를 하여 만들어지는데, 중성자 밀도가 높은 경우에만 생성될 수 있다.

  

사용 후 핵연료나 중성자를 쪼인 239Pu시료에서 아메리슘을 분리하는 과정은 상당히 복잡하다. 전형적인 방법은 사용 후 핵 연료나 중성자를 쪼인 239Pu 를 50% 질산에 녹이고 여기에 탄화수소(예로 석유)에 든 트리부틸인산(tri-n-butyl phosphate, TBP)을 가해 대부분의 우라늄과 플루토늄을 트리부틸인산 층으로 추출·분리하는 과정을 거치는데, 이는 원래 사용 후 핵 연료에서 우라늄과 플루토늄을 추출하는 PUREX(Plutonium-Uranium Extraction) 공정의 하나이다. 수용액 층에 남아있는 아메리슘을 비롯한 악티늄족 원소와 란타넘족 원소는 다이아민(diamine) 화합물을 포함한 용매로 추출한 후 용매를 증발시키면 +3가 상태의 혼합물로 얻어지는데, 적절한 시약을 사용한 여러 단계의 크로마토그래피와 용매 추출 과정을 통해 +3가 상태의 아메리슘만을 분리해낼 수 있다. 이렇게 얻은 +3가 상태의 아메리슘 화합물을 태우면 이산화아메리슘(AmO2)이 얻어진다.   금속 아메리슘은 이산화아메리슘(AmO2)을 금속 란타넘(La) 또는 토륨(Th)으로 환원시키거나, 삼플루오르화아메리슘(AmF3)을 금속 바륨(Ba)으로 환원시켜 얻는다.   2AmF3 + 3Ba    →   2Am + 3BaF2  3AmO2 + 4La   →   3Am + 2La2O3

유리관 끝에 들어있는 최초의 아메리슘 시료로 수산화물이다. 1944년에 플루토늄-239에 중성자를 쪼여 합성하여 발견하였다. <출처: LBNL>

 

  

이런 방법으로 지난 수십 년간 핵 반응로에서 생산·분리해낸 241Am과 243Am의 양이 수 킬로그램에 이르고, 이들의 대부분이 현재 축적되어 있는 것으로 파악된다. 241Am은 1962년부터 미화 $1500/g으로 수요자에게 제공되었는데, 가격은 지금까지 큰 변동이 없는 것으로 나와있다. 243Am는 보다 소량으로 생성되고 분리도 더 어려워 $100~160/mg으로 제공된다고 한다.

 

  

아메리슘의 용도 아메리슘 동위원소 중 실용적으로 이용되는 것은 반감기가 432.2년인 241Am이 유일한데, 이는 이온화식 연기 검출기, 각종 방사선 의료 진단 장비 및 계측기의 방사선 및 중성자 원, 그리고 보다 무거운 원소의 합성을 위한 출발물질로 사용된다.   이온화식 연기 감지기의 외관(좌측)과 내부. 아메리슘 동위원소 241Am은 산화물 형태로 화재 경보용 연기 감지기에 사용된다. 아메리슘은 가정 용품에 사용되는 유일한 초우라늄 원소이다. <출처: (cc) MD111at frickr.com(내부사진)>   이온화식 연기 감지기(ionization smoke detector) 241Am은 화재 경보기의 일종인 이온화식 연기 감지기에 사용되는데, 가정용 제품에 사용되는 유일한 합성 원소이다. 이의 작동원리는 다음과 같다. 241Am의 방사선 붕괴에서 나온 α 입자가 2개의 전극 사이를 공기로 채운 이온화실을 통과하면 이에 의해 공기가 이온화되어 전극 사이에 전류가 흐른다. 그러나 연기가 이온화실에 들어가면 α 입자가 연기에 흡수되어 공기의 이온화 정도가 줄어들고 이에 따라 전류의 세기가 변하는데, 이 변화로 경보 음이 울리도록 작동시킨다. 최근의 이온화식 연기 감지기는 1대에 약 0.28μg의 241AmO2이 사용되므로, 1 g의 241AmO2 로 300만대 이상의 제품을 제작 할 수 있다. 이러한 이온화식 연기 감지기는 또 다른 연기 감지기인 광전식(photoelectric) 연기 감지기(연기에 의한 빛의 산란을 감지)에 비해 값이 싸고 빛 산란이 작은 입자도 검출하는 장점이 있으나, 거짓 경보를 발하기 쉽다는 단점도 있다. 참고로, 초기 이온화식 연기 감지기에는 α 입자 발생원으로 라듐-226(226Ra)을 사용하였는데, 241Am이 226Ra에 비해 5배나 많은 α 입자를 내어 놓으며 작은 에너지의 γ-선을 방출하는 장점이 있어 라듐을 사용한 연기 감지기는 아메리슘을 사용한 연기 감지기가 출현하면서 미국에서는 1963년에 제작이 중단되었다.   휴대형 방사선 의료 진단 장비 및 측정기 241Am은 241AmO2 형태로 휴대형 방사선 의료 진단 장비 및 측정기의 γ-선과 α-선 발생원으로 사용되며, 베릴륨(9Be)과 함께 가공되어 중성자 발생원으로도 사용된다. 241Am을 9Be과 함께 가공한 물질(241AmBe)을 중성자원으로 사용하는 것은 241Am에서 방출된 α-선(4He 원자핵)이 9Be과 충돌하면 탄소(12C)를 생성시키면서 중성자를 방출시키는 원리를 이용하는 것이다. 이러한 241AmBe 중성자원은 고속도로 건설 등에서 토양에 들어있는 물의 함량을 측정하는데 널리 사용되며, 또한 중성자 방사선 투과 촬영, 단층 촬영, 기타 방사 화학적 연구 등에도 사용된다.     한편, 241Am의 방사성 붕괴에서는 여러 에너지의 γ-선도 방출되는데, 60 keV의 γ-선은 휴대형 X-선 장치에 이용된다. 휴대형 X-선 장치는 전력 공급이 없는 장소에서의 석유 탐사, X-선 진단, 광물이나 재료의 X-선 형광 분석 등에 사용된다. 241Am는 또한 유리의 두께를 측정하는데도 사용되는데, 이는 제작된 유리판 위에 241AmO2를 놓으면 241Am에서 방출된 α 입자의 투과도가 유리 두께에 따라 달라지는 것을 이용하는 것이다.   보다 무거운 원소의 합성 241Am은 다른 초우라늄 원소를 합성하는 출발물질로 사용된다. 241Am에 중성자를 쪼이면 1~3개의 중성자를 흡수한 242Am, 243Am, 244Am가 만들어진다. 242Am(반감기 16시간)의 82.7%는 β- 붕괴를 하고 242Cm이 되며, 17.3%는 전자포획으로 242Pu가 된다. 그리고 244Am(반감기 10.1시간)은 β- 붕괴를 하고 244Cm이 된다. 또 241Am에 α 입자를 쪼이면 원자번호 97번인 버클륨(berkelium)의 동위원소 243Bk가 생성되는데, 버클륨은 1949년에 이 반응으로 처음 합성되어 발견되었다. 그리고 241Am에 12C를 쪼이면 원자번호 99번인 아인슈타이늄(einsteinium)의 동위원소 247Es이 생성되며, 22Ne을 쪼이면 원자번호 105번인 더브늄(dubnium)의 동위원소 260Db가 만들어진다. 한편 243Am에 15N을 쪼이면 원자번호 102번의 노벨륨(nobelium, No)이 만들어지며, 18O를 쪼이면 원자번호 103번인 로렌슘(lawrencium. Lr)이 만들어진다.   원자력 전지와 핵 추진 연료 241Am은 방사성 동위원소 열전기 발전기(Radioisotope thermoelectric generator, RTG: 원자력 전지)의 재료로도 사용될 수 있는데, 현재 원자력 전지에 주로 사용되는 플루토늄(238Pu, 반감기 87년)에 비해 반감기가 거의 5배나 길어 아주 장기간 가동되어야 하는 우주탐사선에 보다 적합할 것으로 여겨지고 있다. 그러나 무게당 출력(0.115 W/g)이 238Pu의 약 1/5에 불과하고 중성자를 방출하여 인체 위험성이 보다 크다는 단점이 있다. 한편, 핵 분열 속도가 매우 큰 242mAm을 우주선의 핵 추진 연료, 원자력 전지 등에 사용하는 것도 제안되었으나, 아주 희귀하고 생산 비용이 높아 실용화 되지는 않고 있다.

 

 

아메리슘 화합물 아메리슘은 산화상태가 +2~+7인 화합물들을 만들 수 있는데, 수용액에서는 +3가 상태가 가장 안정하고 고체에서는 +3 또는 +4 상태가 안정하다. 거의 모든 응용 분야에 사용되는 화합물은 +4가 상태의 이산화아메리슘(AmO2)이다. 산화물 외에도 할로겐화물이나 여러 비금속 원소와의 화합물 등이 알려져 있으나, 이들 화합물들의 성질은 대부분 잘 알려져 있지 않다.   산화상태에 따라 색이 달라지는 아메리슘 용액. 왼쪽은 Am3+ 용액이며, 오른쪽은 이를 산화시킨 Am4+ 용액이다. Am3+ 용액은 농도가 묽으면 무색이나, 진하면 붉은색을 띤다. <출처: © http://www.chemie-master.de>   산화물 아메리슘의 산화물은 AmO2와 Am2O3가 알려져 있다. AmO2는 금속 아메리슘을 산(염산 또는 질산)에 녹인 후 수산화암모늄(NH4OH)을 가해 중화시키고 포화 옥산살(H2C2O4) 용액을 첨가해서 얻은 옥살산아메리슘(III)(Am2(C2O4)3·7H2O: 질산 용액에서의 용해도 0.25g/L)을 약 800℃에서 열 분해시켜 얻는다. 검은색 결정으로 입방 구조를 가지며, 약 1000℃에서 분해한다. 이온화식 연기 감지기에 주로 사용되며, γ-선과 α-선의 발생원으로 사용된다. Am2O3는 AmO2를 질소와 수소 기류 하에서 약 1000℃에서 가열해서 얻으며, 녹는점이 2200℃인 적갈색 고체이다.   할로겐화물 아메리슘의 할로겐화물은 AmF4, AmX3(X=F, Cl, Br, I), AmX2(X= Cl, Br, I)가 알려져 있다. AmF4는 고체 AmF3를 F2와 가열해서 얻으며, 연분홍색 고체이다. AmF3는 Am3+ 용액에 F-을 첨가하여 침전으로 얻거나, AmO2를 HF와 반응시켜 얻을 수 있다. 녹는점이 1395℃인 분홍색 결정이다. 다른 금속으로 환원시켜 금속 아메리슘을 얻는데 사용된다. 다른 삼할로겐화물(AmX3, X=Cl, Br, I)들은 AmO2를 해당하는 HX와 반응시켜 얻을 수 있다. AmCl3는 녹는점이 715℃인 분홍색 결정이고, AmBr3는 녹는점이 보고되지 않은 흰색 결정이며, AmI3는 녹는점이 950℃인 노랑색 결정이다. 삼할로겐화물의 결정 구조는 대응하는 넵투늄 화합물과 같다. 이할로겐화물(AmX2: X= Cl, Br, I)들은 해당하는 AmX3를 소듐(Na) 아말감으로 환원시키거나 금속 아메리슘을 해당하는 HgX2와 400~500℃에서 가열시켜 얻을 수 있다.   Am + HgX2 → AmX2 + Hg (X=Cl, Br, I)   AmX2들은 모두 검정색이며, 산소에 아주 민감하고, 물에 의해 산화되어 +3가 상태 화합물이 되면서 수소를 발생시킨다. 아메리슘의 옥시할로겐화물(AmO2X2, AmO2X, AmOX2)도 알려져 있는데, 대응하는 할로겐화물을 산소 또는 Sb2O3와 반응시켜 얻을 수 있으며, AmOCl의 경우는 AmCl3를 수증기로 가수분해시켜 얻을 수도 있다.   기타 화합물 다른 악티늄 원소들과 마찬가지로, 아메리슘은 AmH3 형태의 검정색 수소화물을 만든다. 또 AmC와 AmC2형태의 탄화물을 만드는데, 이들은 낮은 압력에서 잘 분해된다. 아메리슘의 칼코겐화물로는 AmS2, AmSe2, Am3Se4, Am2Te3, AmTe2가 알려져 있으며, 15족(질소족) 원소 와의 화합물로는 AmX(X=P, As, Sb, Bi)가 알려져 있다. AmF3를 진공에서 규소(Si)와 반응시키면 온도에 따라 AmSi와 AmSix(x는 1.87~2)가 생성되며, 아메리슘의 산화물 또는 할로겐화물을 진공 또는 비활성 기체 하에서 MgB2와 가열하면 AmB4가 생성됨이 알려져 있다. 또한 (C8H8)2Am(C8H8은 사이클로옥타테르라엔), (C5H5)3Am(C5H5은 사이클로펜타다이엔) 등의 유기-아메리슘 화합물들도 알려져 있다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 아메리슘은 인공 원소로, 생물학적 역할은 없다. 그러나 강한 방사선을 방출하므로 인체에 해롭고 미생물을 죽일 수 있다. 식품을 통해 체내로 들어갈 가능성은 거의 없으나, 이를 취급하는 경우는 세심한 주의가 필요하다. 체내로 들어가면 뼈에 농축되며, 암을 유발할 수 있다. 이온화식 연기 감지기에 들어있는 극 미량의 241Am에 의한 방사선 위험은 거의 없다. 자살을 하려고 연기 감지기에 있는 아메리슘이 든 캡슐을 삼킨 경우가 있었는데, 감지기에서 알파 입자의 누출되는 것을 막기 위해 캡슐이 금으로 감싸져 있어 위장에서 산에 녹지 않고 소화기관을 그대로 통과하여 아무런 해를 입지 않았다는 일화가 있다.

 

 

 

1.  수치로 보는 아메리슘

   아메리슘 동위원소 중에서 가장 안정한 것은 ²⁴³Am이며, 이의 반감기는 7370년이고 표준 원자 질량은 243.0614 g/mol이다. 실용적으로 주로 사용되는 동위원소는 반감기가 432.2년인 ²⁴¹Am이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f1⁴5d¹⁰6s²6p⁶5f⁷7s²([Rn]5f⁷7s²)이다. 플루토늄-239에 중성자를 쪼여 만들며, 사용 후 핵연료 1톤당 약 100g이 들어 있다. 결정 구조가 다른 α, β, γ-형의 3가지 동소체가 있는데, 1기압에서 α→β 전이 온도는 770℃이다. 녹는점은 1176℃, 끓는점은 2610℃, 20℃에서의 밀도는 13.67 g/cm³이다. 녹음열은 14.39 kJ/mol이며, 염산에 대한 표준 용해열은 -621 kJ/mol이다. 화합물에서는 +2~+7의 산화상태를 갖는데, 수용액에서는 +3가 상태가 가장 안정하고, 고체에서는 +3 또는 +4가 상태가 흔하다. 첫 번째 이온화 에너지는 578 kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 원자반경은 173 pm이고, 6배위된 Am⁴⁺의 이온반경은 85pm, Am³⁺의 이온반경은 97.5pm이다. 산성 수용액에서 Am⁴⁺/Am와 Am³⁺/Am의 표준 환원전위(E^o)는 각각 -0.90V와 -2.07V이다.

 

 

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  2013.08.06

 

Americium Atomic Weight   243[note] Density   13.67 g/cm3 Melting Point   1176 °C Boiling Point   2011 °C Full technical data A radioactive button like this is inside most smoke detectors. A trace of americium creates charged particles that betray the smoke. Americium is thus the only man-made element available in grocery stores. Scroll down to see examples of Americium.