원자번호 102번의 원소 노벨륨(nobelium, No)은 10번째 방사성 초우라늄 원소이며, 멘델레븀 다음의 두 번째 초페르뮴(transfermium) 원소이다. 초페르뮴 원소는 원자번호 100번인 페르뮴보다 원자번호가 큰 원소를 일컫는 용어로, 이들은 원자로에서 보다 가벼운 원소에 중성자를 쪼이는 방법으로는 만들어지지 않으며, 입자가속기에서 보다 가벼운 원소에 이온을 충돌시키는 방법으로만 만들어진다. 초페르뮴 원소들은 만들기가 매우 어렵고, 대부분의 경우에 원자 몇 개만 만들어지는데다가, 반감기가 매우 짧아 특성들이 거의 알려져 있지 않다. 1950년대 중반부터 여러 연구팀이 102번 원소를 발견하려고 하였는데, 1957년에 스웨덴의 노벨연구소가 처음으로 이 원소를 발견했다고 주장하고 원소 이름을 노벨륨으로 제안하였으나, 후속 연구에서 이 주장을 확인할 수 없어 철회하였다. 이후 1958년에는 미국 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스의 로렌스버클리 국립연구소에서, 그리고 1966년에는 러시아의 합동핵연구소 산하 플레로프 핵반응연구소에서 노벨륨을 발견하였다고 보고하였다. 새로운 원소 발견을 공인하고 원소 이름을 결정하는 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)은 합동핵연구소가 노벨륨을 처음 발견하였음을 1992년에 이르러서야 공식적으로 인정하고, 원소 이름은 그 동안 사용해온 노벨륨으로 1997년에 확정하였다. 노벨륨의 발견, 물리·화학적 특성, 동위원소와 이들의 합성 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 102번, 노벨륨
노벨륨(nobelium)1)은 원자번호 102번의 원소로, 원소 기호는 No이다. 주기율표에서 악티늄족 원소의 하나이며, 10번째 초우라늄 금속 원소이고 두 번째 초페르뮴 원소이다. 1950년대 중반부터 스웨덴, 미국, 러시아에서 이 원소를 발견하려는 시도가 있었는데, 1966년에 러시아의 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, FLNR)에서 반감기가 51초인 동위원소 254No를 생성시켜 확인한 것이 최초의 발견이라고 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)에 의해 1992년에 공식적으로 인정되었다. 원소 이름은 스웨덴의 발명가이자 화학자이며, 노벨상을 만든 노벨(Alfred Nobel, 1833~1896)의 이름을 따서 지었는데, 이 원소 이름과 원소 기호 No는 1957년에 스웨덴의 노벨연구소가 102번 원소 발견을 주장하면서 제시한 것이다. 노벨 연구소의 102번 원소 발견에 대한 주장은 후속 연구로 확인될 수 없어 철회되었으나, 제시한 원소 이름과 기호는 남게 되었다.
- 수치로 보는 노벨륨
- 노벨륨은 질량수가 250~260, 262인 12가지가 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이다. 가장 안정한 동위원소는 반감기가 58분인 259No인데, 이론적으로는 아직 발견되지 않은 261No가 반감기가 2.78시간으로 더 길 것으로 예측되었다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d106s26p65f147s2([Rn]5f147s2)이다. 녹는점은 일부 문헌에 약 830℃로 나와 있으나, 확실하지는 않다. 끓는점과 밀도는 알려지지 않았다. 다른 악티늄족 원소와는 달리, 용액에서 +2의 산화상태(No2+)가 +3의 산화상태(No3+)보다 안정하다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 641.6, 1254.3, 2605 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3으로 예측되었다. 수용액에서 No3+와 No2+ 이온 반경은 각각 90 pm와 110 pm로 추정되며, 산성수용액에서 No3+/No와 No3+/No2+ 쌍의 표준 환원전위는 각각 -1.2V와 1.4V로 보고되었다.
원자번호 102번 노벨륨. 노벨의 이름을 딴 원소. |
노벨륨의 원소정보 |
노벨륨은 자연에는 존재하지 않으며, 입자가속기에서 보다 가벼운 원소의 표적에 이온을 충돌시켜 만든다. 지금까지 질량수가 250~260, 262인 12가지 동위원소들이 확인되었는데, 모두 수명이 짧은 방사성 동위원소들로, 가장 안정한 동위원소 259No의 반감기가 58분에 불과하다. 핵 반응으로 생성되는 양이 원자 몇 개에 불과하고 반감기도 매우 짧아서, 노벨륨은 실제적인 분리없이 주로 이의 방사성 붕괴 특성으로 검출되며, 방사성 붕괴 성질 이외의 물리 및 화학적 성질은 거의 알려지지 않았다. 그러나 몇 가지 성질이 예측되었으며, 2010년에는 원자 개개의 무게가 측정되었다. 노벨륨은 은백색 또는 회색 금속이고, 공기, 산, 수증기와 잘 반응할 것으로 예측되었다. 또한, 다른 악티늄족 원소들이 +3의 산화상태가 가장 안정한 것과는 대조적으로, 노벨륨은 용액에서 산화상태가 +2인 No2+이 +3인 No3+보다 안정한 것으로 나타났다.
노벨륨은 기초과학적 연구 이외의 다른 용도는 없으며, 앞으로도 실용적 목적으로 사용될 가능성이 거의 없다. 또 용액에서 이온만 알려져 있을 뿐, 알려진 화합물도 없다.
노벨륨의 발견과 역사
노벨륨은 1966년에 러시아의 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint Institute of Nuclear Research, JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, FLNR) 연구진이 처음 발견한 것으로 공식적으로 인정되고 있으나, 이를 합성·발견하려는 시도는 1950년대 중반부터 있어 왔고, 실제로 발견했다는 주장과 이에 대한 반박과 논란이 여러 차례 있었다. 노벨륨의 발견과 명명 과정은 초페르뮴 원소의 발견이 얼마나 어려우며, 과학자들이 발견에 대한 선취권을 얼마나 중요시하고, 새로 발견된 원소의 이름이 어떻게 정해지는가를 극명하게 보여주는데, 이 과정을 간단히 기술하면 다음과 같다.
102번 원소를 합성하려는 첫 번째 시도는 1956년에 러시아(구 소련)에 있는 원자력연구소(Institute of Atomic Energy, IAE)의 플레로프(Georgy Flerev, 1913~1990) 팀에 의해 수행된 것으로 여겨진다. 이들은 플루토늄-241(241Pu) 표적에 산소-16(16O) 이온을 충돌시켜 질량수가 252인 102번 원소를 합성한 것으로 여겨지고 있다. 그러나 그들은 측정이 정확하지 않다고 여겨 새로운 원소 발견을 공표하지 않았고, 따라서 이 발견은 더 이상 관심을 끌지 못하였다.
플레로프(Georgy Flerov, 1913~1990). 1966년의 노벨륨 발견을 주도한 러시아의 핵 물리학자로, 114번 원소이름은 2012년에 그의 이름을 따서 플레로븀(Fl)으로 하였다. |
러시아의 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(JINR).<출처: (cc) Hrustov at ru.wikipedia> |
처음으로 102번 원소를 발견하였다고 주장한 사람은 스웨덴의 노벨물리연구소(Nobel Institute of Physics) 연구진이었다. 1957년에 이들은 질량수가 244~247인 퀴륨(Cm) 동위원소 혼합물 표적에 탄소-13(13C) 이온을 충돌시켜 반감기가 10분이며 8.5 MeV α 입자를 방출하면서 붕괴하는 새로운 동위원소를 만들었고 이 동위원소는 질량수가 251 또는 253인 102번 원소일 것이라 발표하였으며, 새로운 원소의 이름을 노벨(Alfred Nobel)의 이름을 따서 노벨륨(nobelium, 원소기호 No)으로 할 것을 제안하였다. 그러나 후에 이들 연구진은 자신들이 관찰한 방사선이 배경 효과에 의한 것으로 보고, 새로운 원소 발견에 대한 주장을 철회하였다.
102번 원소를 발견했다는 두 번째 주장은 1958년에 미국 캘리포니아대학 버클리캠퍼스의 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL)의 기오르소((Albert Ghiorso, 1915~2010) 연구팀에서 나왔는데, 이들은 원자번호 94~101번의 초우라늄 원소들을 처음 발견한 연구진으로 원소 발견 분야에서 가히 독보적 위치를 차지하고 있었다. 그들은 새로 제작된 중이온 선형가속기(Heavy-ion linear accelerator, HILAC)와 멘델레븀 발견 때 고안하였던 반동기법(recoil technique)을 사용하여 244Cm(95%)/246Cm(5%)의 퀴륨 동위원소 혼합물 표적에 12C 이온을 충돌시키는 실험을 수행하였는데, 스웨덴 팀이 주장하였던 8.5 MeV α 입자는 검출할 수 없었고, 대신에 페르뮴-250(250Fm)의 붕괴를 관찰하였으며, 이 250Fm는 반감기가 약 3초인 254No의 붕괴에서 생성된 것이라고 발표하였다. 이들은 1959년의 후속 실험에서 반감기가 3초이며 주로 8.3 MeV α 입자를 방출하고 30%는 자발적 핵 분열을 하면서 붕괴하는 노벨륨 동위원소 254No(뒤에 252No로 수정)를 확인하였다고 주장하였다.
또한, 그들은 102번의 원소 발견의 선취권이 자신들에게 있고 따라서 원소 이름을 추천할 권리도 자신들에게 있으나, 스웨덴 팀이 제안했던 노벨륨을 그대로 사용할 것을 추천한다고 하였다. 버클리 팀의 102번 원소 발견에 대한 주장은 스웨덴 팀에 의해 비판을 받았으며, 이후 두 팀은 수년간 서로의 데이터와 비판에 근거하여 잘못 해석된 부분들을 정정하기도 하였으나, 노벨륨 동위원소 생성에 대한 확실한 증거는 제시하지 못하였다. 1961년에는 캘리포늄-252(252Cf)에 붕소-11(11B)를 충돌시켜 103번 원소 로렌슘(Lr)을 합성하려는 과정에서, 반감기가 15초이고 8.2 MeV α 입자를 방출하는 것을 검출하였는데, 그들은 이를 255No에 의한 것으로 하였다가, 뒤에 257No로 정정하였다.
노벨륨 생성에 대한 확실한 증거는 1966년에 러시아의 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(JINR)에서 얻어졌다. 이 연구소는 1956년에 설립되었는데, 1957년에는 플레로프 핵반응연구소(FLNR)가 산하 연구소로 새로 설치되었고 이에 따라 플레로프가 원자력연구소(IAE)에서 행하던 새로운 원소 발견에 대한 연구가 이곳으로 이전되었다. 이 연구소에서 처음 합성·발견된 원소는 노벨륨 외에도 플레로프의 이름을 딴 114번 원소 플레로븀(flerovium, Fl)과 이 연구소가 위치한 지역 이름을 딴 105번 원소 더브늄(Dubnium, Db: 두브늄으로도 부름) 등이 있다.
1964년에 합동핵연구소(JINR)의 플레로프 팀은 우라늄-238(238U)에 네온-22(22Ne)를 충돌시킨 실험에서 페르뮴 동위원소 252Fm와 250Fm의 붕괴를 검출하였는데, 이들 252Fm와 250Fm이 각각 처음 핵 반응에서 생성된 256No과 254No의 α 붕괴에 의해 생성된 것으로 설명하였다.
그리고 2년 후인 1966년에는 아메리슘-243(243Am)에 질소-15(15N) 이온을 충돌시킨 후 화학적 방법으로 250Fm의 생성을 확인하였으며, 후속 연구에서 250Fm는 모핵인 254No가 8.1 MeV α 입자를 방출하면서 붕괴하여 생성되고, 254No의 반감기는 30~40초임을 확인하였다.
그들은 스웨덴의 노벨연구소 결과는 재현되지 않으며, 버클리 팀의 연구 결과는 정확성에서 오류가 있어 그들이 주장하는 102번 원소의 동위원소는 합성하지 못하였음을 보였다. 뿐만 아니라 그들은 화학 실험을 통해 102번 원소가 주기율표에서 바로 위에 위치하는 이터븀(Yb)과 비슷한 성질을 보인다고 결론지었다. 이들은 자신들의 연구 결과를 1966년 10월에 발표하였으며, 원소 이름을 이레느 졸리오-퀴리(Irene Joliot-Curie, 1897~1956) 부부를 기리기 위해 졸리오튬(joliotium, Jo)으로 하자고 제안하였다.
참고로, 이레느 졸리오-퀴리는 유명한 퀴리 부부의 큰 딸로, 남편 장 프레데리크 졸리오-퀴리(Jean Frederic Joliot-Curie, 1900~1958)와 함께 인공 방사능에 대한 연구 업적으로 1935년 노벨화학상을 수상하였는데, 폴로늄(Po) 방사성에의 과다 노출로 인한 백혈병으로 사망하였다. 이들 부부는 사회주의 운동에도 적극 참여하여 남편은 러시아로부터 큰 상을 받기도 하였는데, 이런 정치적 배경이 동서 냉전 시기에 소련에서 발견된 새로운 원소 이름에 이들의 이름을 따서 넣으려 한 이유의 하나로 여겨진다. 졸리오-퀴리 부부는 이레느 퀴리의 부모가 아들이 없어 ‘퀴리’라는 유명한 과학자의 이름이 계승되지 못하는 것을 안타까워하여 자신들의 성을 남편의 성 ‘Joliot’에 ‘Curie’를 부쳐 Joliot-Curie로 하였다고 한다.
로렌스버클리 국립연구소(LBL)의 기오르소 팀은 플레로프 팀의 논문을 접하고는 실험을 반복하여 플레로프 팀의 연구결과가 사실임을 확인하였다. 그리고는 자신들이 1958년과 1961년에 얻은 실험 결과들을 재 검정하고는 자신들이 주장했던 102번 원소의 동위원소들을 1967년에 발표한 논문에서 수정하였다. 동시에 자신들이 플레로프 팀에 앞서 102번 원소를 처음 발견하였으며, 따라서 이 원소의 최초 발견자는 자신들이 되어야 하고 원소 이름은 자신들이 제안한 노벨륨이 되어야 한다고 IUPAC에 요구하였다. IUPAC은 처음에는 이들의 요구를 받아들였는데, 러시아의 합동핵연구소(JINR)가 크게 반발하였다.
플레로프 팀이 속한 JINR과 기오르소 팀이 속한 LBL은 이후의 104~106번 원소 발견들에 대해서도 자신들의 선취권과 원소 이름을 지을 권리를 서로 주장하였다. 이에 IUPAC은 대응하는 물리학 국제연맹인 국제순수·응용물리연맹(IUPAP)과 공동으로 이 문제를 해결하기 위한 특별 위원회 구성을 시도하였고, 마침내 1985년에 초페르뮴 특별소위원회(Transfermium Working Group, TWG)가 구성되었다. 1992년에 이 위원회는 JINR가 1966년에 처음으로 102번 원소를 올바르게 검출하고 이의 방사성 붕괴를 밝혔다고 결론짓고, 이 원소 발견에 대한 JINR의 선취권을 인정하였다. 원소 이름은 1997년에야 확정하였는데, 이미 오랫동안 사용하여 친숙하다는 이유로 노벨륨으로 정하였다.
미국 아르곤국립연구소의 감마스피어(Gammasphere). 이 장치에서 나오는 노벨륨의 감마선 스펙트럼을 분석하여 노벨륨 원자핵은 구형이 아니고 미식 축구공 모양의 긴 타원체 형태라고 추론하였다. 높이는 3m, 무게는 10톤인데, 액체 질소로 냉각시킨 110개의 저마늄(Ge) 검출기를 가지고 있다. 왼쪽은 가운데를 분리해 작업 중인 모습이고, 오른쪽이 작동 중인 겉 모습.. <출처: 미국 아르곤국립연구소>
이후, 1998년에는 미국 아르곤국립연구소 과학자들이 254No를 저마늄(Ge) 검출기에 잡아 이의 감마선 스펙트럼을 얻었으며, 이에서 노벨륨 원자핵은 구형이기보다는 미식 축구공 모양의 타원체 형태라고 추론하였다. 그리고 2010년에는 독일의 헬름홀츠 중이온연구센터(GSI: Gesellschaft für Schwerionenforschung; Center for Heavy Ion Research) 연구진들이 페닝 트랩 질량 분광법(Penning Trap Mass Spectrometry)을 써서 3 가지 노벨륨 동위원소 252No, 253No, 254No에 대한 원자 개개의 무게를 측정하였다.
물리 및 화학적 성질
노벨륨은 반감기가 매우 짧고 한번에 원자 몇 개만 만들어지므로, 방사성 붕괴 성질 이외의 물리 및 화학적 성질은 거의 알려지지 않았으며, 금속 상태나 화합물 형태로 얻어진 적도 없다. 그러나 은백색 또는 회색 고체 금속이고, 공기, 산, 수증기와 잘 반응할 것으로 예측되었다. 일부 자료에는 녹는점이 827℃라고 나와 있으나, 이의 사실 여부를 확인할 수도 없고 또 측정 가능했는지도 의문이다. 감마선 스펙트럼 분석에 따르면 원자핵은 구보다는 타원체로 추정된다. 2009년에 일본 연구진이 행한 실험에 따르면, 수용액에서 다른 대부분의 악티늄족 원소들이 산화상태가 +3인 이온이 안정한 것과는 달리, 노벨륨은 산화상태가 +2인 No2+이 +3인 No3+보다 더 안정한 것으로 나타났다. 산성 수용액에서 No3+/No와 No3+/No2+ 쌍의 표준 환원전위는 각각 -1.2V와 1.4V로 보고되었다. 참고로 표준 환원전위가 양의 값이면 표준 농도(1M) 용액에서 해당 환원반응이 자발적으로 일어나고, 음의 값이면 이의 역반응(산화반응)이 자발적이다. 수용액에서 No3+와 No2+의 이온 반경은 각각 90 pm와 110 pm로 추정되었다.
노벨륨의 바닥상태 전자배치 <출처: (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
동위원소와 방사성 붕괴 성질
노벨륨(No)의 동위원소는 질량수가 250~260, 262인 12가지가 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이다. 253No과 262No는 각각 라더포듐-257(257Rf)의 α 붕괴와 로렌슘-262(262Lr)의 β+ 붕괴 생성물로 발견되었으며, 다른 것들은 보다 가벼운 원소에 이온을 충돌시켜 인공적으로 합성하여 발견되었다. 가장 안정한 동위원소는 반감기가 58분인 259No이며 이의 원자질량은 259.1026 g/mol이다. 반감기가 상대적으로 긴 동위원소들은 259No 외에 255No(반감기 3.1분), 253No(반감기 1.62분), 254No(반감기 51초)이며, 나머지들은 반감기가 30초 이내이다. 아직도 발견되지 않은 261No와 263No는 259No보다도 반감기가 길 것으로 예상되는데, 이론적으로 예측된 261No의 반감기는 2.78시간이다. 3가지 핵 이성체(251mNo, 253mNo, 254mNo)가 알려져 있는데, 모두 반감기가 2초 이내로 짧다. 250No, 258No, 260No, 262No는 주로 자발적 핵분열을 하며, 나머지 동위원소들은 주로 α 붕괴를 하고 페르뮴(Fm) 동위원소가 된다. 그리고 대부분의 동위원소들이 일부는 β+ 붕괴 또는 전자포획을 하고 멘델레븀(Md) 동위원소가 되는데, 이런 변환의 비율이 특히 큰 것들은 255No(38.6%)와 259No(25%)이다. β- 붕괴를 하고 원자번호 103인 로렌슘(Lr)이 되는 동위원소는 없다.
독일에 있는 헬름홀츠 중이온연구 센터(GSI: Gesellschaft für Schwerionenforschung; Center for Heavy Ion Research)의 페닝 트랩장치. 이 장치로 노벨륨 동위원소의 원자 무게를 실제로 측정하였다. <출처: GSI>
노벨륨의 합성
노벨륨 동위원소들은 입자가속기에서 보다 가벼운 원소의 표적에 중(重)이온을 충돌시켜 만들어지는데, 보통 원자번호의 합이 노벨륨의 원자번호와 같은 102가 되는 표적과 중이온을 선택한다. 노벨륨의 생성은 그 자체, 그리고 이의 방사성 붕괴로 생긴 딸 원자핵에서 방출되는 방사선과 방사성 붕괴 특성으로 검출되고 확인된다. 러시아의 플레로프 핵반응연구소(FLNR)에서 주로 합성되었으며, 미국의 로렌스버클리 국립연구소(LBL)와 오크릿지 국립연구소(ORNL)에서도 일부 합성되었다.
노벨륨 합성에는 다양한 표적과 중이온들이 사용되는데, 가장 흔히 사용되는 것은 납(Pb, 원자번호 82) 표적에 칼슘(Ca, 원자번호 20) 이온을 충돌시키는 것으로, 이의 핵 반응식은 다음과 같다.
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또한 토륨(Th, 원자번호 90)에 마그네슘(Mg, 원자번호12) 이온을, 그리고 우라늄(U, 원자번호 92)에 네온(Ne, 원자번호 10) 이온을 충돌시켜서도 만들어진다.
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그리고 초우라늄 원소인 아메리슘(Am, 원자번호 95)과 퀴륨(Cm, 원자번호 96)에 각각 질소(N, 원자번호 7)와 탄소(C, 원자번호 6) 이온을 충돌시켜 생성된 노벨륨 동위원소들도 확인되었다.
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또한 표적 원자와 충돌되는 중이온이 융합되고 α 입자(4He)가 중성자와 함께 나오는 핵 반응도 연구되었는데, 이들은 다음과 같다.
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한편, 일부 노벨륨 동위원소들은 원자번호 103, 104, 106, 108번 원소들의 방사성 붕괴 생성물로도 확인되었다.
- 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.
- 저자의 책 보러가기인물정보 더보기
주석
- 1수치로 보는 노벨륨
- 노벨륨은 질량수가 250~260, 262인 12가지가 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이다. 가장 안정한 동위원소는 반감기가 58분인 259No인데, 이론적으로는 아직 발견되지 않은 261No가 반감기가 2.78시간으로 더 길 것으로 예측되었다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d106s26p65f147s2([Rn]5f147s2)이다. 녹는점은 일부 문헌에 약 830℃로 나와 있으나, 확실하지는 않다. 끓는점과 밀도는 알려지지 않았다. 다른 악티늄족 원소와는 달리, 용액에서 +2의 산화상태(No2+)가 +3의 산화상태(No3+)보다 안정하다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 641.6, 1254.3, 2605 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3으로 예측되었다. 수용액에서 No3+와 No2+ 이온 반경은 각각 90 pm와 110 pm로 추정되며, 산성수용액에서 No3+/No와 No3+/No2+ 쌍의 표준 환원전위는 각각 -1.2V와 1.4V로 보고되었다.
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Nobelium
Alfred Nobel created the Nobel Prize, but never got one himself. At least he now has an element, though with a half-life of 12.6 hours and no applications his is not one of the more distinguished elements. Scroll down to see examples of Nobelium. | ||||||||||||||||
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