원자번호 103번의 원소 로렌슘(lawrencium, Lr)은 마지막 악티늄족 원소이며, 세 번째 초페르뮴 원소(transfermium elements, 원자번호 101 이후의 원소)이다. 초페르뮴 원소는 입자가속기에서 보다 가벼운 원소 표적에 이온을 충돌시키는 방법으로만 만들어지는데, 한번에 단지 원자 몇 개만 만들어지는데다가, 반감기도 매우 짧아 생성을 확인하여 발견하기가 매우 어렵고, 특성들은 거의 알려져 있지 않다. 로렌슘은 1961년에 미국 로렌스버클리 국립연구소 연구진이 캘리포늄(Cf) 표적에 붕소(B) 이온을 충돌시켜 처음 합성하였다고 발표하였으며, 이후 6년 후인 1967년에는 러시아 합동핵연구소 연구진이 아메리슘(Am) 표적에 산소(O) 이온을 충돌시켜 로렌슘을 합성∙검출하였다고 발표하였다. 러시아 팀은 로렌슘의 몇 가지 특성들을 확인하였으며, 미국 연구진이 1961년에 발표한 내용에 있는 오류를 찾아내 지적하기도 하였다. 로렌슘을 누가 발견했는가에 대한 논란이 오랫동안 계속되었는데, 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)은 1992년에 이들 두 연구진을 함께 로렌슘의 공동 발견자로 인정하였다. 원소 이름은 미국 물리학자 로렌스(Ernest O. Lawrence, 1901~1958)의 이름을 따서 지었는데, 로렌스는 1932년에 원형 입자가속기인 사이클로트론(cyclotron)을 발명하고 이를 사용하여 여러 인공 방사성 동위원소를 만들었으며, 이 공적으로 1939년 노벨 물리학상을 수상하였다. 로렌슘의 발견, 특성, 합성 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 103번, 로렌슘
로렌슘(lawrencium)1)은 원자번호 103번의 원소로, 원소 기호는 Lr이다. 주기율표에 나오는 마지막 악티늄족 원소이며, 11번째 초우라늄 원소이고, 3 번째 초페르뮴 원소이다. 1961년에 미국의 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National laboratory, LBL)의 기오르소(Albert Ghiorso) 등이 캘리포늄(Cf) 동위원소(질량수 249~252) 혼합물 표적에 11B 와 10B 이온을 충돌시켜 동위원소 258Lr(처음에는 257Lr로 해석하였음)을, 그리고 1967년에 러시아의 합동핵연구소(Joint Institute of Nuclear Research, JINR) 핵물리학 연구진이 아메리슘-243(243Am) 표적에 18O 이온을 충돌시켜 256Lr을 처음 합성함으로써 발견되었다.
- 수치로 보는 로렌슘
- 로렌슘은 질량수가 252~262인 11가지 동위원소가 알려져 있는데, 가장 안정한 것은 반감기가216분인 262Lr이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f147p1 ([Rn]7s25f147p1) 또는 [Rn]7s25f146d1인데, 이론적 계산에서 [Rn]7s25f147p1의 배치가 에너지가 약간 더 낮은 것으로 보고되었다. 녹는점, 끓는점, 밀도 등은 아직 보고되지 않았다. 다른 악티늄족 원소처럼 주된 산화상태는 +3이며, 수용액에서 Lr3+ 로 존재한다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 443.8, 1428, 2219 kJ/mol인 것으로 예측되었다. 수용액에서 Lr3+의 이온 반경은 88.6 pm(비교: No3+, 90 pm)로, 그리고 Lr3+/Lr의 표준 환원전위는 약 -2 V로 추정된다.
원자번호 103번 로렌슘. 원형 입자가속기인 사이클로트론을 발명한 로렌스를 기리는 원소 |
로렌슘의 원소정보 |
로렌슘은 보다 가벼운 원소의 표적에 이온을 충돌시켜 합성하거나, 보다 무거운 원소들의 방사성 붕괴 생성물로 발견되었는데, 지금까지 질량수가 252~262인 11가지 동위원소들이 확인되었다. 가장 안정한 동위원소는 262Lr로, 이의 반감기는 3.6시간이다. 이외 261Lr(반감기 44분)과 260Lr(반감기 2.7분)의 반감기가 비교적 길고, 나머지는1분 미만이다. 아직도 발견되지 않은 동위원소 264Lr의 반감기는 이론적으로 10시간으로 계산되었다. 로렌슘은 핵 반응으로 극 미량만 합성되고 반감기도 매우 짧아 방사성 붕괴 성질 이외의 물리 및 화학적 성질은 거의 알려지지 않았다. 은색 금속으로 공기, 산, 수증기와 잘 반응할 것으로 예측되며, 다른 전형적인 악티늄족 원소처럼 +3의 산화상태가 가장 안정하고, 수용액에서도 Lr3+ 이온으로 주로 존재한다고 보고되었다.
로렌슘은 원소(금속) 상태나 분리된 화합물 형태로는 얻어지지 않았으며, 기초과학적 연구 이외의 다른 용도는 없고, 또 앞으로도 사용될 가능성은 없다고 볼 수 있다.
로렌슘의 발견과 역사
103번 원소 로렌슘은 바로 앞의 102번 원소 노벨륨(No)과 뒤에 나오는 몇 가지 원소들에서처럼 러시아의 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(JINR)의 플레로프(Georgy Flerov, 1913~1990) 연구팀과 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스에 있는 로렌스버클리 국립연구소(LBL)의 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010) 연구팀이 서로 자신들이 먼저 발견하였고 따라서 원소 이름을 지을 권리가 자신들에게 있다고 주장하였던 원소이다. 지금은 두 팀이 공동 발견자로 인정되고 있으며, 원소 이름은 기오르소 팀이 제안했던 이름이 채택되었다.
1961년에 미국에서 로렌슘을 발견한 주역들이 주기율표에 이를 넣고 있다. 왼쪽에서 오른쪽으로 라티머(Robert M. Latimer), 기오르소(Albert Ghiorso), 시케랜드(Torbjorn Sikkeland), 라쉬(Almon Larsh). 로렌슘의 원소기호가 Lr이 아닌 Lw로 표시되어 있다.
LBL의 기오르소 등은 1958년에 중이온 선형가속기(Heavy-ion Linear Accelerator, HILAC)를 사용하여 원자번호 96번인 퀴륨(Cm) 동위원소 혼합물 244Cm(95%)/ 246Cm(5%) 표적에 원자번호 7인 14N 이온을 충돌시켜 103번 원소를 처음 생성시킨 것으로 여겼으나, 퀴륨 표적이 파괴되어 실험을 더 이상 진전시키지 못하였다. 이후 1961년에 이들은 이번에는 질량수가 249~252인 캘리포늄(Cf) 동위원소 혼합물 표적 3 밀리그램(mg)에 붕소(B) 동위원소 혼합물( 10B와 11B)을 충돌시키는 실험을 수행하여 반감기가 약 8초이고 8.6 MeV α 입자를 방출하는 질량수 257인 103번 원소의 동위원소를 검출하였다고 발표하였다. 그들은 이 새로운 원소를 로렌슘(lawrencium)으로 부르고 원소 기호를 Lw로 제안하였는데, 원소기호는 1963년에 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)에 의해 Lr로 변경되었다. LBL팀이 발견한 로렌슘 동위원소는 나중에 258Lr로 수정되었는데, 이것이 생성되는 252Cf와 11B 사이의 핵 반응식은 다음과 같다.
뒤이어 1967년에 JINR의 플레로프 등은 아메리슘-243(243Am) 표적에 산소-18(18O)을 충돌시켜 반감기가 약 45초인 256Lr를 검출했다고 발표하였다.
플레로프 등은 또한 생성된 256Lr를 염소(Cl2) 기체와 반응시켜 휘발성인 256LrCl3가 생성됨을 발견함으로써 이 원소가 전형적인 악티늄족 원소임을 확인하였다. 그들은 또한 LBL 팀이 주장한 동위원소의 질량수 257과 반감기 8초 등이 정확하지 않음을 지적하였는데, LBL 팀은 이 지적을 받아들여 자신들이 주장한 동위원소의 질량을 257에서 258로 정정하였다. 참고로 지금 알려진 257Lr와 258Lr의 반감기는 각각 0.646초와 4.1초이다. 한편, JINR 팀은 103번 원소의 이름을 영국의 핵 물리학자 러더포드(Ernest Rutherford, 1871~1937)의 이름을 따서 러더포듐(rutherfordium)으로 제안하였는데, 리더포듐이란 원소 이름은 LBL 팀이 1969년에 103번이 아닌 104번 원소의 이름으로 제안하였다.
새로운 원소 발견을 공인하고 원소 이름을 최종적으로 결정하는 IUPAC은, LBL 연구팀이 103번 원소 발견에 대해 명확한 증거를 제시하지 않았음에도 불구하고, 1971년에 그들의 주장을 인정하고 그들이 제안하였던 로렌슘이란 원소 이름을 승인하였다. 이에 대해 JINR 연구팀은 자신들이 처음으로 103번 원소를 분명하게 발견하였고 따라서 원소 이름을 제안할 권리가 자신들에게 있다는 주장을 굽히지 않았는데, 이와 비슷한 논란은 이후의 102, 104, 105번 원소들에 대해서도 있었다. 이런 논란을 해결하기 위해 IUPAC은 국제순수·응용물리연맹(IUPAP)과 공동으로 1985년에 초페르뮴 특별소위원회(Transfermium Working Group, TWG)를 구성하였는데, 이들은 1992년에 이르러서야 103번 원소를 확실하게 처음 합성·발견한 것은 JINR 팀이나, LBL 팀도 이에 큰 기여를 한 점을 인정하여 두 기관을 함께 공동 발견자로 추천하였다. 그러나 지금 많은 자료에는 로렌슘이 1961년에 기오르소 등에 의해 발견되었다고 나와 있다. 원소 이름은 1997년에야 확정되었는데, 이미 오랫동안 사용하여 친숙하다는 이유로 로렌슘으로, 그리고 원소 기호는 Lr로 확정하였다.
로렌슘이란 원소 이름의 어원이 된 미국 물리학자 로렌스(Ernest O. Lawrence, 1901~1958)는 1928년에 캘리포니아대학 버클리캠퍼스의 물리학과 부교수로 임용되었다가 2년 후에 정교수로 승진하여 캘리포니아 대학에서 가장 젊은 나이에 정교수가 된 인물이다. 그는 1932년에 원형 입자가속기인 사이클로트론(cyclotron)을 발명하고 이를 이용하여 여러 방사성 동위원소들을 만들었으며, 이 공적으로 1939년에 노벨 물리학상을 수상하였다.사이클로트론은 자극 사이에 전극을 넣고 그곳에 고주파의 전압을 걸어 이온을 가속시키는 장치로, 이렇게 얻은 가속된 입자(이온)는 특정 표적에 충돌시켜 새로운 원소(동위원소 포함)를 생성시키는데 널리 사용되어왔으며, 암 치료에도 이용되어왔다. 사이클로트론의 출현으로 여러 분야의 과학자와 기술자들이 팀을 이루어 연구하는 거대과학(big science)이 시작되었고, 로렌스는 ‘거대과학의 아버지’라는 명성을 얻었다.
자신이 처음으로 제작한 37인치 사이클로트론을 점검하고 있는 로렌스. 갈릴레오가 망원경을 발명하여 천문학을 열었듯이, 로렌스는 사이클로트론을 발명하여 핵과학을 열었다고 볼 수 있다.
로렌스는 세계 제2차 대전시 원자폭탄 개발 사업인 맨해튼 계획(Manhatten project)에서 우라늄 동위원소를 분리해 내는 일에도 관여하였으며, 2개의 세계적인 연구소를 설립하기도 하였다. 이들 연구소 이름에는 그의 이름이 들어있는데, 하나는 로렌스버클리 국립연구소(LBL)이고, 다른 하나는 로렌스리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)이다. 전자는 1931년에 캘리포니아대학 버클리캠퍼스에 방사선연구소(Radiation Laboratory)로 설립되었고 1958년에 그가 사망할 때까지 소장 직을 맡았는데, 사망 후인 1959년에 그를 기리기 위해 지금의 이름으로 바뀌었다. 후자는 1952년에 캘리포니아주 리버모어에 LBL의 분소로 설립되었다가 1971년에 현재의 명칭으로 변경되고 독립 연구소가 되었는데, 국가 안보에 관련된 과학·기술의 연구·개발을 주로 수행하는 연구소이다. 참고로, 116번 원소 리버모륨(livermorium)은 2012년에 이 연구소의 이름을 따서 붙여진 이름이다.
물리 및 화학적 성질
로렌슘 원자는 103개의 전자를 갖고 있으며, 원자의 전자 배치 원칙(aufbau principle)2)에 따르면 바닥 상태 전자 배치는 [Rn]7s25f146d1이 된다. 그러나 양자역학적 계산에 따르면 이 원자의 7p궤도의 에너지가 6d 궤도의 에너지에 비해 약간 낮은 것으로 나오기 때문에 바닥 상태 전자 배치를 [Rn]7s25f147p1로 적기도 한다.
- 원자의 전자배치 원리(aufbau principle): 마델룽 규칙(Madelung rule)
- 바닥 상태 원자에서 전자들이 궤도를 채워가는 순서를 나타내는 원리로, 전자는 주양자수(n)와 방위양자수(l)의 합(n+l)이 적은 궤도부터 채워지며, (n+l)이 같은 경우는 n이 작은 궤도에 먼저 채워진다는 것이다. l = 0, 1, 2, 3인데, 이들을 각각 s, p, d, f 궤도라 하며, 각각에는 2, 6, 10, 14개까지의 전자가 채워질 수 있다. 이 원리에 따라 전자가 채워지는 궤도의 순서는 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s가 된다. 이 원리를 마델룽 규칙(Madelung rule)이라고도 한다.
로렌슘 동위원소들은 모두 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. 녹는점, 끓는점, 밀도 등도 보고되지 않았다. 은색 고체 금속이고, 공기, 산, 수증기와 잘 반응할 것으로 예측되었으며, 다른 악티늄족 원소들과 마찬가지로, 주된 산화 상태는 +3인 것으로 보고되었다. 러시아의 JINR 연구진은 1969년에 243Am과 18O의 핵반응으로 생성된 256Lr를 염소 기체에 노출시켜 256LrCl3가 생성됨을 보였다. 또 미국의 LBL 연구진은 로렌슘이 수용액에서 Lr3+로 존재함을 보였는데, 이는 102번 원소 노벨륨이 No2+로 존재하는 것과는 대조적이다. LBL 연구진은 1988년에 수행한 α-하이드록시이소부틸산 염(α-hydroxyisobutyrate, α-HIB)을 사용한 이온-교환 크로마토그래피 실험에서 Lr3+ 이온의 착물 형성을 확인하였으며, 다른 악티늄족 이온 착물들과의 머무름 시간(retention time) 비교에서 Lr3+의 이온 반경을 88.6 pm로 추정하였다. 산성 수용액에서 Lr3+/Lr의 표준 환원전위는 약 -2V로 얻어졌다.
로렌슘의 바닥상태 전자배치<출처: (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
동위원소와 방사성 붕괴 성질
로렌슘(Lr)의 동위원소는 질량수가 252~262인 11가지가 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이다. 가벼운 3 가지 동위원소 252Lr, 253Lr, 254Lr는 직접 합성되지는 않았고, 원자번호 105번인 더브늄(Db)의 α 붕괴 생성물로 처음 발견되었으며, 다른 동위원소들은 인공적으로 합성하여 발견되었다. 가장 안정한 동위원소는 262Lr이며, 이의 반감기는 216분이다. 이외 261Lr(반감기 44분)과 260Lr(반감기 2.7분)를 제외한 나머지는 반감기가 1분보다 짧다. 핵 이성체로는 253mLr이 알려져 있는데, 반감기는 1.5초이다. 262Lr은 거의 전적으로 β+ 붕괴를 하고 노벨륨-262(262No)이 되며, 261Lr은 대부분 자발적 핵분열을 한다. 다른 동위원소들은 주로 α 붕괴를 하고 멘델레븀(Md) 동위원소가 되는데, 일부(30% 미만)는 β+ 붕괴를 하고 노벨륨 동위원소가 되기도 하며, 일부(23% 미만)는 자발적 핵분열을 한다.
로렌슘의 합성
로렌슘 동위원소들은 보다 가벼운 원소의 표적에 입자가속기로 가속한 중(重)이온을 충돌시켜 만든다. 보통 원자번호의 합이 로렌슘의 원자번호와 같은 103이 되는 표적 원소와 중이온을 선택하는데, 이 경우에는 로렌슘이 생성되면서 중성자(
)가 방출된다. 또한 표적 원소와 중이온의 원자번호의 합이 로렌슘 원자번호보다 1~2개 많은 쌍을 선택하기도 하는데, 이 때에는 로렌슘이 생성되면서 양성자(
) 또는 α 입자(
)가 방출된다. 로렌슘의 생성은 그 자체, 또는 이의 방사성 붕괴로 생긴 딸 원자핵에서 방출되는 방사선과 방사성 붕괴 특성으로 검출되고 확인된다. 러시아 합동핵연구소(JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(FLNR)에서 주로 합성되었으며, 미국의 로렌스버클리 국립연구소(LBL)와 로렌스리버모어국립연구소(LLNL)에서도 일부 합성되었다.
노벨륨 합성에는 다양한 표적과 중이온들이 사용되는데, 앞서의 ‘발견과 역사’ 항에 언급된 반응 이외에 로렌슘의 생성이 확인된 반응들은 다음과 같다.
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이 밖에도 원자번호 99번의 아인슈타이늄 동위원소 254Es 표적에 네온-22(22Ne) 핵을 전이시켜 261Lr과 262Lr를 합성하기도 하였다. 또한 105번 원소 더브늄(Db) 동위원소들의 α 붕괴 생성물, 그리고 107번 보륨(Bh), 109번 마이트너륨(Mt), 111번 뢴트게늄(Rg)의 연속적인 α 붕괴의 생성물로도 로렌슘 동위원소들이 검출되었다.
로렌스의 이름을 딴 로렌스리버모어국립연구소(LLNL)의 전경(항공사진)
- 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 로렌슘
- 로렌슘은 질량수가 252~262인 11가지 동위원소가 알려져 있는데, 가장 안정한 것은 반감기가216분인 262Lr이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f147p1 ([Rn]7s25f147p1) 또는 [Rn]7s25f146d1인데, 이론적 계산에서 [Rn]7s25f147p1의 배치가 에너지가 약간 더 낮은 것으로 보고되었다. 녹는점, 끓는점, 밀도 등은 아직 보고되지 않았다. 다른 악티늄족 원소처럼 주된 산화상태는 +3이며, 수용액에서 Lr3+ 로 존재한다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 443.8, 1428, 2219 kJ/mol인 것으로 예측되었다. 수용액에서 Lr3+의 이온 반경은 88.6 pm(비교: No3+, 90 pm)로, 그리고 Lr3+/Lr의 표준 환원전위는 약 -2 V로 추정된다.
- 2원자의 전자배치 원리(aufbau principle): 마델룽 규칙(Madelung rule)
- 바닥 상태 원자에서 전자들이 궤도를 채워가는 순서를 나타내는 원리로, 전자는 주양자수(n)와 방위양자수(l)의 합(n+l)이 적은 궤도부터 채워지며, (n+l)이 같은 경우는 n이 작은 궤도에 먼저 채워진다는 것이다. l = 0, 1, 2, 3인데, 이들을 각각 s, p, d, f 궤도라 하며, 각각에는 2, 6, 10, 14개까지의 전자가 채워질 수 있다. 이 원리에 따라 전자가 채워지는 궤도의 순서는 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s가 된다. 이 원리를 마델룽 규칙(Madelung rule)이라고도 한다.
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Lawrencium
Lawrencium, named for atom smasher Ernest Lawrence of South Dakota, is the last element with a half-life longer than an hour (3.6 hours to be exact). From here on out the elements get pretty sketchy. Scroll down to see examples of Lawrencium. | ||||||||||||||||
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