Californium(Cf),98- 캘리포늄(Cf)

원자번호 98번의 원소 캘리포늄(californium, Cf)은 얼마 전까지는 칼리포이늄으로 불려졌었다. 1950년에 처음 인공적으로 합성되어 발견되었는데, 맨 눈으로 실물을 볼 수 있을 정도의 양으로 생산된 원소 중에서는 아인슈타이늄(Es) 다음으로 무거운 원소이고, 자연계에서 발견되는 원소 중에서 가장 무겁다. 원소 이름은 이 원소가 처음 합성·발견된 장소인 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)가 속해있는 캘리포니아(California)주의 이름을 따서 지었다. 자연계에는 우라늄 광석에서 우라늄 원자들이 일련의 중성자 흡수와 β- 붕괴를 일으켜 생성되어 극미량 존재하지만, 여기서 분리하여 얻지는 않고 인공적으로 핵반응을 통해 만든다. 캘리포늄은 초우라늄 원소 중에서 실용적으로 이용되는 몇 안 되는 원소의 하나로, 동위원소 252Cf는 미국과 러시아의 특수 핵 반응로에서 매년 약 0.3 그램(g)이 생산된다. 252Cf는 높은 속도로 자발적 핵분열을 하면서 중성자를 방출하는 특성이 있어, 핵 연쇄반응를 개시하는 기동용 중성자원, 휴대형 중성자 수분계와 중성자활성분석 기기, 비파괴 검사 장비의 중성자원, 암 방사능 치료 등에 요긴하게 사용된다. 또한 보다 무거운 인공 원소들의 합성에도 이용된다. 한 웹사이트는 현재 세상에서 가장 비싼 물질로 252Cf를 들고 있기도 하다. 캘리포늄의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 98번, 캘리포늄 캘리포늄(californium)1)은 원자번호 98번의 원소로, 원소 기호는 Cf이다. 주기율표에서 악티늄족 원소의 하나이며, 6번째 초우라늄 원소이다. 1950년에 원자번호 96번인 퀴륨-242에 α입자(헬륨이온)를 쪼여 처음으로 캘리포늄-245를 합성함으로써 발견된 인공 원소로, 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소이다.

 

 

원자번호 98번 캘리포늄, 사진은 미국 캘리포니아주의 금문교.

캘리포늄의 원소정보

 

 

은백색 금속으로, 전성이 있고 면도칼로 쉽게 자를 수 있을 정도로 비교적 무르다. 녹는점은 900±30℃이고 끓는점은 1470℃로 추정된다. 1기압에서 두 가지 결정형이 존재하는데, 900℃이하에서는 이중 육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 하고 밀도가 15.1 g/cm3인 α-형으로 존재하고, 900℃이상에서는 면심입방(fcc) 구조를 하고 밀도가 8.74 g/cm3인 β-형으로 존재한다. 화학 반응성은 비교적 커서, 실온의 공기 중에서 산화되어 표면이 흐려진다. 산에 잘 녹으며 수증기와도 쉽게 반응하고, 가열하면 수소, 질소, 칼코겐(산소족 원소)과도 반응한다. 화합물에서는 +2, +3, +4의 산화상태를 갖는데, +3의 상태가 보다 안정하고 흔하며 수용액에서는 +3상태의 이온만 존재한다.   캘리포늄은 질량수가 237~256인 20가지 동위원소가 알려져 있는데, 가장 안정한 동위원소는 반감기가 898년인 251Cf이다. 자연에서는 우라늄 광석에서 질량수가 249~253인 동위원소들이 극 미량 발견되는데, 이들은 우라늄 원자들이 일련의 중성자 흡수와 β- 붕괴를 일으켜 생성된 것이다. 캘리포늄은 이를 사용하는 시설, 핵 실험 또는 핵 폭발 지역 주위에서도 극미량 발견된다. 어떤 초신성(supernovas) 폭발에서는 254Cf(반감기 60.5일)이 생성되는 것으로 여겨졌으나, 지금은 이에 대해 제시된 증거가 의문시 되고 있다. 주로 이용되는 캘리포늄 동위원소는 252Cf(반감기 2.645년)와 249Cf(반감기 351년)인데, 252Cf가 훨씬 더 많이 만들어져서 사용된다. 미국의 오크릿지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)와 러시아의 원자로연구소(Research Institute of Atomic Reactors)에서 연간 약 0.3g이 생산된다.   252Cf는 비교적 빠른 속도로 자발적 핵분열을 하는 강한 중성자 방출원으로, 휴대형 중성자 수분계와 중성자활성분석 기기, 중성자를 이용한 각종 비파괴 검사 장비의 중성자원으로 쓰이며, 암의 방사선 치료 등에도 사용된다. 또한 보다 무거운 초우라늄 원소들을 합성하는 출발물질로도 사용된다. 그러나 강한 방사선을 내고 생체에 농축되는 가장 위험한 원소의 하나이므로 취급에 세심한 주의가 필요하다.

 

 

캘리포늄의 발견과 역사 캘리포늄은 1950년 2월에 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 톰프슨(Stanley G. Thompson, 1894~1953), 스트리트(Kenneth Street Jr., 1920~2006), 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010), 그리고 시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999)에 의해 처음으로 합성되어 발견되었다. 이들은 버클리의 60인치 사이클로트론(cyclotron)을 써서 35 MeV의 α입자를 퀴륨-242(242Cm, 반감기 162.8일)에 쪼임으로써 질량수가 245인 캘리포늄 동위원소 245Cf을 생성시키고 이를 확인하였다.     이는 같은 연구진이 동일한 에너지의 α입자를 아메리슘-241(241Am)에 쪼여 버클륨-243(243Bk)를 합성·발견한지 3개월 후에 이루어낸 결과이다. 이 실험에서는 수 마이크로그램(μg: 1 μg = 1x10-6g)의 242Cm이 표적으로 사용되었는데, 1944년에 처음 합성된 이 퀴륨 동위원소를 캘리포늄 합성에 사용할 이 만큼의 양을 모으는데 3년이 걸렸다고 한다. 한편, 이 실험에서는 단지 약 5000개의 캘리포늄 원자가 생성되었으며 생성된 245Cf의 반감기도 단지 44분에 불과했는데도, 연구자들은 이것이 새로운 원소임을 확인하였다.   캘리포늄을 처음으로 합성하는데 사용된 60 인치 사이클로트론. 이를 사용하여 35 MeV로 가속된 α입자를 퀴륨-242 표적에 충돌시켜 캘리포늄-245를 합성·발견하였다.   이들 연구진은 자신들이 속한 대학이 있는 미국 캘리포니아(California)주의 이름을 따서 캘리포늄이라 명명하였다. 캘리포늄 앞에 있는 원자번호 95~97번의 세 원소 아메리슘, 퀴륨, 버클륨은 주기율표에서 각각의 원소 바로 위에 있는 유로퓸, 가돌리늄, 터븀의 명명 방식을 따서 이름지었는데, 캘리포늄이란 명명은 이런 관행을 깬 것이다. 참고로 캘리포늄 바로 위에 있는 원소 디스프로슘(dysprosium, Dy)은 그리스어로 ‘얻기 어려운’이란 뜻의 ‘dysprositos’를 따서 이름 지었다.   이후 1954년에는 미국 아이다호(Idaho)주 아르코(Arco)의 재료시험로(Material testing reactor)에서 플루토늄-239(239Pu)에 중성자를 장기간 쪼인 시료에서 질량수가 249~252인 캘리포늄 동위원소들이 생성됨을 확인하였으며, 252Cf는 외부로부터의 자극이 없이도 빠른 속도로 자발적으로 핵분열하는 것이 관찰되었다. 그리고 1958년에는 약 8g의 239Pu에 5년간 중성자를 쪼인 시료에서 약 1.2 μg의 캘리포늄을 약 0.6 μg의 249Bk와 더불어 분리하였으며, 처음으로 농축된 형태의 캘리포늄을 사용한 실험이 수행되었다. 1960년에는 캘리포늄을 수증기와 염산으로 처리하여 캘리포늄 화합물로는 처음으로 약 0.3 μg의 옥시염화캘리포늄(CfOCl)을 얻었으며, 이어서 삼염화캘리포늄(CfCl3)과 산화캘리포늄(Cf2O3)도 합성되었다. 1974년에는 산화캘리포늄(Cf2O3)을 란타넘(La) 금속으로 환원시켜 금속 캘리포늄을 박막 형태로 처음으로 얻었다.   1960년대부터 미국 테네시 주에 있는 오크릿지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)의 고선속 동위원소 원자로(High Flux Isotope Reactor, HFIR)를 사용하여 239Pu에 중성자를 쪼여 캘리포늄을 생산해오고 있는데, 여기서 얻어지는 것은 주로 252Cf이다. 1995년에는 252Cf의 연간 생산량이 500mg이나 되었다.

 

 

물리적 성질

캘리포늄은 은백색의 방사성 금속 원소이다. 전성이 있으며, 면도칼로 쉽게 자를 수 있을 정도로 비교적 무르다. 녹는점은 900±30℃로 보고되었고, 끓는점은 1470℃로 추정되었다. 1기압에서 두 가지 결정형이 존재하는데, 900℃이하에서는 이중 육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 하는 α-형이 안정하며, 900℃ 이상에서 면심입방(fcc) 구조의 β–형으로 전이된다. 밀도는 α-형이 15.1 g/cm3이고, β-형이 8.74 g/cm3이다. β–형은 높은 압력에서 사방정 (orthorhombic) 구조로 변한다. 금속 캘리포늄은 51 K 이하에서는 강자성(ferromagnetic) 또는 준강자성(ferrimagnetic)이고, 48~66 K에서는 반강자성(antiferromagnetic)이며, 160 K 이상에서는 상자기성(paramagnetic)이다.

캘리포늄 금속 원반. 원반의 지름은 사무용 핀의 2배 정도이다.

 

 

동위원소 캘리포늄의 동위원소는 질량수가 237~256인 20가지가 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이며 인공적으로 합성되었다. 반감기가 비교적 긴 동위원소들은 251Cf(반감기 898년), 249Cf(반감기 351년), 250Cf(반감기 13년), 252Cf(반감기 2.645년), 248Cf(반감기 333.5일), 254Cf(반감기 60.5일), 253Cf(반감기 17.81일)이며, 나머지들은 반감기가 36시간보다 짧다. 준 안정한 핵 이성체로는 249mCf(반감기 4.5x10-5초)가 알려져 있다. 질량수가 짝수인 동위원소들은 비교적 높은 속도로 자발적 핵분열을 하는데, 자발적 핵분열 비율이 특히 큰 것들은 254Cf, 256Cf(반감기 12.3분), 252Cf로 그 비율이 각각 99.69%, 99%, 3.09%이다. 핵분열에서는 작은 질량의 여러 원자들로 나누어지며 중성자가 방출된다. 중성자 방출원으로 널리 사용되는 252Cf는 1 μg이 1초당 230만(핵 분열당 평균 3.7)개의 중성자를 방출하며, 방출되는 중성자의 에너지는 0~13 MeV(평균 2.3 MeV)인데, 가장 확률이 높은 에너지는 1 MeV이다. 질량수가 252이하인 동위원소들은 주로 α붕괴를 하고 퀴륨(Cm) 동위원소가 되는데, 질량수가 247이하인 동위원소들의 일부는 전자포획 또는 β+ 붕괴를 하고 버클륨(Bk) 동위원소가 되기도 한다. 253Cf과 255Cf는 거의 전적으로 β- 붕괴를 하고 아인슈타이늄(Es) 동위원소가 된다.   캘리포늄의 바닥상태 전자배치 <출처: (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>

 

 

화학적 성질 캘리포늄은 비교적 화학 반응성이 큰 금속 원소로, 실온의 공기 중에서 산화되어 표면이 흐려진다. 산에 잘 녹으며 수증기와도 쉽게 반응하고, 가열하면 수소, 질소, 칼코겐(산소족 원소)과도 반응한다. 그러나 알칼리와는 반응하지 않는다. 화합물에서는 +2, +3, +4의 산화상태를 갖는데, +3의 상태가 가장 안정하고 흔하다. 수용액에서는 Cf3+만 존재하며, 이는 녹색을 띤다. +4가 상태 화합물은 강한 산화제이고, +2가 상태는 강한 환원제이다. Cf3+의 염화물, 질산염, 과염소산염, 황산염은 물에 녹으나, 플루오르화물(CfF3), 옥살산염(Cf2(C2O4)3), 수산화물(Cf(OH)3)은 물에 잘 녹지 않는다. 산성 수용액에서 Cf4+/Cf3+와 Cf3+/Cf의 표준 환원전위(Eo)는 각각 3.2 V와 -1.91 V이다.

 

 

캘리포늄의 합성과 분리

캘리포늄을 생산하는 미국 오크릿지 국립연구소 시설의 모습.

주로 생산되고 사용되는 캘리포늄 동위원소는 252Cf(반감기 2.645년)이다. 이 동위원소는 미국의 오크릿지 국립연구소와 러시아의 원자로연구소에서 플루토늄-239(239Pu)에 높은 선속의 중성자를 장기간 쪼여 얻는다. 239Pu에서 252Cf가 만들어지는 데는 최소한 13개의 중성자 포획과 4번의 β- 붕괴가 필요하다. 즉, 252Cf은 아메리슘-243(243Am, 반감기 7370년), 퀴륨-244(244Cm, 반감기 18.1년), 버클륨-249(249BK, 반감기 330일), 249Cf(반감기 351년) 등을 거쳐 만들어지는데 (네이버캐스트 버클륨 참고), 249Cf가 3개의 중성자를 포획하면 252Cf가 된다. 252Cf는 또한 249Bk가 중성자를 포획하여 생성된 250Bk(반감기 3.2시간)의 β- 붕괴(확률 거의 100%)로 생성된 250Cf가 2개의 중성자를 포획하여 생성되기도 한다. 252Cf의 생산 과정에서는 이보다 월등히 많은 양의 244Cm가 얻어지며, 249BK과 249Cf도 얻어진다. 그리고 252Cf의 추가적 중성자 포획과 β- 붕괴에 의해 원자번호 99의 아인슈타이늄-253(253Es)과 원자번호 100의 페르뮴-257(257Fm)도 미량 만들어진다. 캘리포늄은 아메리슘, 퀴륨, 또는 버클륨에 중성자를 쪼여 만들 수도 있다.

 

 

이렇게 합성된 원소들은 중성자를 쪼인 표적을 질산에 녹인 후, +3가 상태의 양이온을 이온교환 크로마토그래피 또는 용매 추출 방법으로 분리하는데, 캘리포늄은 주로 252Cf와 249Cf가 얻어진다. 252Cf는 밀리그램(mg) 규모로, 그리고 249Cf는 마이크로그램(μg) 규모로 얻어지는데, 2003년 연간 캘리포늄 생산량은 미국에서 0.25 g(250 mg), 러시아에서 0.025 g(25 mg)이었다.   미국 원자력위원회(Atomic Energy Commission: 1946년 설립, 1974년에 에너지연구개발관리국(Energy Research and Development Administration)과 원자력 규제위원회(Nuclear Regulatory Commission)로 분리 개편)는 252Cf를 필요로 하는 산업계와 대학에 1970년대 초반에 미화 $10/μg로 제공하기 시작하였는데, 가격은 이후 수 차례 인상되어 1999년에는 $60/μg (1g당 $6000만에 해당)이 되었다. 그러나 이 가격에는 많은 비용이 드는 포장과 운반비는 포함되지 않았다. 지금은 마이크로그램 규모의 252Cf을 미국 원자력 규제위원회를 통해 구입할 수 있다.   ‘가장 놀라운 사실들을 소개한다’는 웹 사이트 Didyk.info/는 2012년 10월 27일의 게시물(http://didyk.info/16-most-expensive-materials/)에서 252Cf를 세상에서 두 번째로 비싼 물질로 소개하였는데, 제시된 가격은 $2700만/g이었다. 가장 비싼 물질은 아직도 얻지 못한 반물질(antimatter)이고, 세 번째로 비싼 물질은 가격이 $55,000/g인 다이아몬드이었다.

 

 

캘리포늄의 이용 252Cf는 몇 가지 용도로 요긴하게 사용되는데, 이는 자발적 핵분열에 의해 중성자가 방출되는 특성을 이용한 것이다. 252Cf는 1 μg당 1초에 평균에너지가 2.3 MeV인 230만 개의 중성자를 방출하는데, 이는 α-입자 방출원-베릴륨계의 중성자원(예로 226RaBe, 239PuBe, 241AmBe)에 비해 월등히 많은 수(예로 226RaBe에 비해 약 백만 배)의 중성자를 방출하는 것이다. 그러나 반감기가 2.6년으로 짧아 시일이 지날수록 방출되는 중성자의 수가 급격하게 줄어드는 단점은 있다.   기동용 중성자원(neutron startup source) 252Cf는 일부 원자로에서 핵 연쇄반응을 개시시키는데 사용된다. 즉, 원자로 가동을 중지시킨 후 다시 가동시킬 때 사용되는데, 중성자원에 의해 원자로의 연쇄반응이 일단 개시되면 핵 연료의 분열에서 방출되는 중성자에 의해 연쇄반응은 계속 이어진다.   중성자를 이용한 분석 및 비파괴 검사 장비의 휴대형 중성자 방출원 252Cf는 중성자 수분계(neutron moisture gauge), 중성자활성분석(neutron activation analysis) 장비, 각종 비파괴검사(nondestructive inspection) 장비의 휴대형 중성자 방출원으로 요긴하게 쓰인다. 고속 중성자는 수분에 들어있는 수소에 의해 감속되는데, 이를 이용하여 시료중의 수분 함량을 측정하는 것이 중성자 수분계이다. 흙과 암반의 수분 함량을 측정하는데 가장 널리 사용되며, 유정(油井)에서 물과 석유 층을 발견하는데도 사용된다. 중성자활성분석은 분석하고자 하는 시료에 중성자를 쪼이면 중성자를 흡수한 원소가 방사성 동위원소로 전환되고 이에서 방출되는 방사선과 이의 붕괴 특성으로부터 시료에 들어있는 원소의 종류와 양을 분석하는 것이다. 금과 은을 탐사하는데 유용하게 사용되며, 석탄, 시멘트 산업에서 사용되는 분석기에도 이용된다. 일부 지뢰 탐지기에도 사용된다.   중성자는 전하를 띠지 않기 때문에 α-선이나 β-선에 비해 투과력이 좋다. 이를 이용하여 밀폐된 물질 내부를 검사하는데 사용된다. 핵 연료봉 탐상기(fuel rod scanner), 항공기와 무기 부품의 부식, 용접 불량, 균열 등을 검출하는 중성자 방사선탐상기(radiography), 그리고 금속 탐지기 등의 중성자 방출원으로 사용된다.

 

 

캘리포늄-252를 중성자원으로 사용한 중성자 지뢰 탐지기.

미국 국립표준기술연구소(NIST)의 캘리포늄 중성자 조사 시설(Californium Neutron irradiation Facility)

 

 

방사선 치료 252Cf을 중성자 치료 요법에 사용하는 것이 1972년에 처음 연구되었다. 다른 방사선 치료가 효과적이지 않은 자궁경부암과 뇌종양에 처음 적용되었는데, 결과는 성공적이었고 따라서 1976년부터 임상 시험이 시작되었다. 처치는 미량의 252Cf를 암 조직에 이식시키는 것으로 이루어지는데, 이에서 방출되는 중성자가 암 조직을 파괴한다. 자궁경부암에 특히 효과적인 것으로 알려져 있다.   다른 인공원소의 합성과 기타 응용 249Cf와 252Cf는 원자번호 102번의 노벨륨(No)과 103번의 로렌슘(Lr)을 합성하는 재료 물질로 사용되었다. 예로 252Cf에 12C 또는 11B를 쪼이면 257No가, 그리고 249Cf에 12C를 쪼이면 255No가 합성된다. 2006년에는 미국과 러시아의 공동 연구팀이 공동 핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research: 러시아의 두브나(Dubna)에 있는 핵과학 국제연구센터로 18개 회원국에서 온 약 1000명의 박사를 포함하여 약 5500명의 인원이 근무하고 있다)에서 249Cf에 칼슘-48(48Ca)를 충돌시켜 생성된 원자번호 118번인 우눈옥튬(Uuo) 동위원소 294Uuo(반감기 약 0.89x10-3초) 원자 3 또는 4개를 확인하였다고 발표하였다.     우눈옥튬 원자의 방사능 붕괴는 2002년에 같은 기관에서 처음 관찰되었다. 294Uno는 지금까지 확인된 원소 중 가장 무거운 원소이다.   251Cf(반감기 898년)는 핵 분열시킬 수 있는데, 연쇄반응 폭발을 일으키는데 필요한 임계질량은 약 5 kg으로 작다. 어떤 사람은 251Cf로 소위 말하는 ‘포켓형 핵폭탄(pocket nuke)’을 제작할 수 있을 것이라고 주장하나, 이에 필요한 251Cf를 생산하는 것이 지극히 어려워 실현 가능성은 거의 없다.

 

 

캘리포늄 화합물 캘리포늄은 산화상태가 +2~+4인 화합물들을 만드는데, 가장 흔한 상태는 +3이며, 수용액에서는 +3 상태의 양이온(Cf3+)만 존재한다. 산화물과 할로겐화물이 주로 알려져 있는데, 희귀하고 용도가 제한되어 있어 성질들은 잘 알려져 있지 않다.   산화물 캘리포늄의 산화물은 CfO2와 Cf2O3가 알려져 있으며, Cf2O3가 보다 안정하다. CfO2는 입방 구조를 갖는 흑갈색 고체로, 옥살산캘리포늄(Cf2(C2O4)3), 질산캘리포늄(Cf(NO3)3) 또는 수산화캘리포늄(Cf(OH)3)을 순수한 산소 중에서 태우면 얻어진다. Cf2O3는 CfO2를 수소(H2)로 환원시키면 얻어지며, 황산캘리포늄(Cf2(SO4)3)을 공기 중에서 1200℃로 가열하고 500℃에서 수소로 환원시켜서도 얻을 수 있다. 황록색 고체로 녹는점은 1750℃이다. 보통 체심입방(bcc) 구조를 하며, 가열하면 약 1400℃에서 단사정(monoclinic) 구조로 변한다.

 

할로겐화물 캘리포늄의 할로겐화물은 CfF4, CfX3(X=F, Cl, Br, I), CfX2(X=Br, I)가 알려져 있다. CfF4는 밝은 노란색 고체인데, 고체 CfF3를 F2와 가열하면 얻어진다. 삼할로겐화물(CfX3)은 CfF3은 물에 녹지 않으나 다른 것들은 물에 녹는다. CfF3은 황록색 고체로, Cf3+ 용액에 F-을 첨가하여 일수화물(CfF3∙H2O) 형태로 침전시키거나, Cf2O3를 HF와 반응시켜 얻는다. 실온 이상으로 가열하면 결정 구조가 사방정(orthorhombic)에서 점차적으로 삼방정(trigonal)으로 변한다. CfCl3(녹색, 녹는점 575℃)는 Cf2O3를 500℃에서 HCl과 반응시키면 만들 수 있는데, 육방정 (hexagonal) 구조를 갖는다. CfBr3는 Cf2O3를 800℃에서 HBr과 반응시키면 얻어지는 연록색 고체이며, CfBr2로 환원될 수 있다. CfI3는 CfCl3에서 만들 수 있는 주황색 고체인데, 환원시키면 보라색의 CfI2로 환원된다. CfF3와 CfCl3는 높은 온도에서 가수분해되어 각각 CfOF와 CfOCl이 된다.   캘리포늄은 유기금속 화합물이 알려진 가장 무거운 원소이다. CfCl3과 Cp2Be(Cp=C5H5, 사이클로 펜타다이엔 음이온)를 반응시켜 Cp3Cf를 합성하였으며, 이에 대한 X-선 결정 구조도 결정되었다.

1960년에 최초로 얻은 순수한 캘리포늄 화합물인 249CfOCl(0.3 μg)이 모세관 안에 들어있다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 캘리포늄은 인공원소로, 생물학적 역할은 없다. 환경에 존재하는 양은 극히 적으나, 암 치료와 여러 검사 및 분석 장비에 사용되므로 이에 노출될 가능성은 있다. 캘리포늄은 아주 강한 방사선을 내는 가장 위험한 원소의 하나이다. 체내로 들어간 경우에는 적혈 세포 생성을 저해하며 골격과 간에 농축되고 이들 조직에 암을 유발시킬 수 있다. 체내로 들어가지 않은 경우도 γ-선에 의해 조직 손상을 입힐 수 있다. 캘리포늄은 이로 오염된 음식물, 물, 공기를 통해 체내로 들어갈 수 있는데, 들어간 양의 0.05%만 혈액으로 유입되고, 유입한 양의 65%는 골격에, 25%는 간에 축적되고 나머지는 다른 기관에 축적되거나 배설된다.

 

 

 

1. 수치로 보는 캘리포늄

   캘리포늄은 질량수가 237~256인 20가지 동위원소가 알려져 있는데, 가장 안정한 것은 반감기가 898년인 ²⁵¹Cf이며 이의 표준 원자 질량은 251.0796 g/mol이다. 실용적으로 주로 사용되는 동위원소는 반감기가 2.645 년인 ²⁵²Cf인데, 이의 96.91%는 α-붕괴를 하여 ²⁴⁸Cm이 되고, 3.09%는 자발적 핵분열을 하고 중성자를 방출한다. 1 μg의 순수한 ²⁵²Cf는 1초 당 230만 개의 중성자를 방출한다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶5f¹⁰7s²([Rn]5f¹⁰7s²)이다. 미국과 러시아에서 플루토늄-239에 고선속 중성자를 장기간 쪼여 만들며, 연간 생산량은 약 0.3 g이다. 1기압에서 결정 구조가 서로 다른 α-형와 β-형의 두 가지 동소체가 있다. 녹는점은 900℃, 끓는점은 1470℃(추정)이고, 실온에서의 밀도는 15.1 g/cm³이다. 화합물에서는 +2, +3, +4의 산화상태를 갖는데, +3의 상태가 가장 안정하고 흔하다. 용액에서는 +3가 이온만 존재한다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 606 kJ/mol과 1138 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 원자반경은 186 pm이고, 6배위된 Cf⁴⁺의 이온반경은 82 pm, Cf³⁺의 이온반경은 95 pm이다. 산성 수용액에서 Cf⁴⁺/Cf³⁺와 Cf³⁺/Cf의 표준 환원전위(E^o)는 각각 3.2 V와 -1.91 V이다.

 

 

 

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  2013.09.03

Californium Atomic Weight   251[note] Density   15.1 g/cm3 Melting Point   900 °C Boiling Point   N/A Full technical data Californium is named after the state of California, home of UC Berkeley where it was discovered. It is used as a convenient portable neutron source for detection of precious metals and in oil well logging. Scroll down to see examples of Californium.