원자번호 105번의 원소 더브늄(dubnium, Db)은 두 번째 초악티늄족 원소(transactinide element)로, 주기율표에서 7주기 5족에 있는 전이금속 원소이다. 97번 원소 버클륨(Bk)을 초우라늄 원소들의 산실인 로렌스버클리 국립연구소(LBL)가 있는 미국 도시 버클리를 따서 이름 지었듯이, 더브늄은 초페르뮴 원소의 산실인 합동핵연구소(JINR)가 있는 러시아(구소련) 도시 두브나(Dubna)를 따서 이름이 지어졌다. 안정한 동위원소가 없는 방사성 원소로, 반감기가 가장 긴 동위원소는 더브늄-268(반감기 약 31시간)이다. 더브늄은 1968년에 러시아에 있는 합동핵연구소의 플레로프 연구팀이 입자가속기를 사용하여 아메리슘-243(243Am) 표적에 네온-22(22Ne) 이온을 충돌시켜 처음 합성∙발견하였고, 1970년에 미국의 로렌스버클리 국립연구소의 기오르소 연구팀은 이와는 독립적으로 캘리포늄-249(249Cf) 표적에 질소-15(15N) 이온을 충돌시켜 합성∙발견하였다. 다른 가벼운 초페르뮴 원소들에서와 마찬가지로, 러시아와 미국의 연구진 사이에 원소 발견의 선취권과 원소 이름에 대한 논란이 오랫동안 있었다. 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)의 계통적 원소 이름은 운닐펜튬(unnilpentium, Unp)이며, 때에 따라 닐스보륨(Nielsbohrium, Ns), 하늄(hahnium, Ha), 조리오튬(Joliotium, Jl)이 사용되었는데, 1997년에 지금의 이름으로 공식적으로 결정되었다. 더브늄의 발견, 특성, 합성 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 105번, 더브늄
더브늄(dubnium)1)은 원자번호 105번의 원소로, 원소 기호는 Db이다. 주기율표에서 d-구역에 속하는 초악티늄 원소의 하나이며, 7주기 5족(5B족)에 있는 전이금속 원소이다. 5족 원소로는 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta)도 있는데, 더브늄은 탄탈럼 바로 아래에 있으므로 에카-탄탈럼(eka-tantalum)이라 부를 수 있다. 더브늄은 자연에는 존재하지 않으며, 입자 가속기를 사용하여 보다 가벼운 원소 표적에 중(重)이온을 충돌시켜 얻거나, 보다 무거운 원소의 α 붕괴 사슬에서 얻어지는 방사성 원소이다. 1968년과 1970년에 각각 러시아(구소련)와 미국에서 독립적으로 합성·발견되었다. 13가지 동위원소가 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것은 268Db(반감기 약 31시간)이다.
- 수치로 보는 더브늄
- 더브늄 원자의 바닥상태 전자배치는1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d37s2([Rn]5f146d37s2)로 예상된다. 질량수가 255~263, 266~268, 270인 13가지 동위원소들이 알려져 있는데, 가장 반감기가 긴 것은 268Db(반감기 약 31시간)이다. 녹는점과 끓는점은 알려져 있지 않으며, 밀도는 29 또는 21.6 g/cm3으로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 664.8, 1546.7, 2378.4 kJ/mol로 추정되었다. 주로 +5의 산화상태를 가지며, +4와 +3의 산화상태도 가능할 것이 예상된다. 원자의 반경은 138 pm로 추정된다.
합동핵연구소(JINR)가 있는 러시아 도시 두브나(Dubna)의 이름을 딴 원소. 사진은 합동핵연구소. |
더브늄의 원소 정보. |
더브늄은 아주 극 미량만 만들어지고 또 반감기가 짧아, 물리∙화학적 특성은 잘 알려져 있지 않다. 그러나 같은 족의 나이오븀이나 탄탈럼과 성질이 비슷할 것으로 짐작되며, 표준상태에서 은색 금속 고체이고 공기, 수증기, 산과 잘 반응할 것으로 예상된다. 주된 산화상태는 +5이며, +4와 +3의 산화상태도 가능할 것으로 여겨진다. 산소와 반응하여 녹는점이 높고 매우 안정한 오산화더브늄(Db2O5)을 만들 것이 예상된다. 할로겐과는 쉽게 반응하여 휘발성인 오할로겐화물 DbX5 를 만들며, 이는 물과 반응하여 DbOX3형의 옥시할로겐화물을 만든다.
더브늄의 발견과 역사
105번 원소 더브늄의 발견은 러시아(구소련) 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR)의 플레로프(Georgy Flerov, 1913~1990) 연구팀에 의해 1968년에 처음 보고되었다. 그들은 300 cm 사이클로트론(U-300)을 사용하여 아메리슘-243(243Am)에 네온-22(22Ne) 이온을 충돌시켰는데, 이 때 관찰한 9.40 MeV와 9.70 MeV의 두 가지 α 입자를 질량수 260 또는 261인 105번 원소의 동위원소가 붕괴해서 나오는 것으로 잠정적으로 해석하였다. 그러나 그들은 자신들의 주장을 뒷받침할 충분하고도 확실한 결과는 아직 확보하지 못하였다고 생각하여 원소 이름을 짓지는 않았다. 그들은 2년 후인 1970년에 이 실험을 반복하였는데, 이 때에는 생성된 원소를 염화나이오븀(NbCl5) 증기와 반응시켜 염화물로 전환시킨 후 기체 크로마토그래피로 분리하여 염화탄탈럼(TaCl5, 끓는점 238.4℃)과 비슷한 성질을 보이고, 반감기 2.2초로 자발적 핵 분열을 하는 성분을 검출하였으며, 이를 261Db의 오염화물(현재의 표기로는 261DbCl5)로 결론지었다.
플레로프 등은 1970년 실험에서 새로운 원소 발견에 대한 확실한 데이터가 얻어졌다고 믿고, 원소 이름을 원자구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 공로로 1922년 노벨 물리학상을 수상한 덴마크 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)의 이름을 따서 닐스보륨(nielsbohrium, 원소기호 Ns)으로 하자고 제안하였다.
105번 원소 이름을 러시아 연구팀은 닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962, 좌측)를 기려 닐스보륨(nielsbohrium, 원소기호 Ns)으로, 미국 연구팀은 오토 한(Otto Hahn, 1879~1966, 우측)을 기려 하늄(hahnium, 원소기호 Ha)으로 하자고 제안했다.
한편 미국의 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)에 있는 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL)의 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010) 연구팀은 1970년에 캘리포늄-249(249Cf) 표적에 질소-15(15N)을 충돌시켜 9.1 MeV α 입자를 방출하면서 반감기 1.6초로 붕괴하여 로렌슘-256(256Lr)로 전환되는 105번 동위원소 260Db의 생성을 확인하였다. 그들은 이 실험에서 플레로프 팀이 1968년에 관찰하였다고 보고한 9.40 MeV 또는 9.70 MeV의 α 입자를 검출할 수 없었고, 따라서 플레로프 팀의 105번 원소 발견의 주장은 오류라고 반박하였다. 그들은 105번 원소 이름을 방사능과 방사화학을 개척하고 핵 분열을 발견한 공로로 1945년 노벨화학상을 수상한 오토 한(Otto Hahn, 1879~1966)의 이름을 따서 하늄(hahnium, 원소기호 Ha)으로 하자고 제안하였다.
플레로프 팀은 기오르소 팀의 반박에 대응하여, 자신들의 실험 장치를 개선하고 화학적 실험을 반복한 결과 1971년에 α 입자를 방출하는 260Db의 생성을 확인하였다. 그리고 기체 크로마토그래피를 사용한 반응 연구를 계속하여 1976년에는 휘발성인 260DbBr5의 생성을 확인하였다. 참고로 지금 알려진 바로는 261Db은 반감기가 약 4.5초이며, 73%가 자발적 핵분열을 하고 27%는 α 붕괴를 하는 반면, 260Db은 반감기가 1.5초이며, 90.4% 이상이 α 붕괴를 하고, 나머지는 자발적 핵분열(9.6% 미만)과 β+ 붕괴(2.5% 미만)를 한다. 결국 러시아 팀은 반감기가 수 초에 불과한 원소들을 유도체화시켜 기체 크로마토그래피로 분리·검출하고 화학적 성질을 밝히는 극히 어려운 일을 수행한 것이다.
러시아 연구팀의 초페르뮴 원소 합성과 이의 자발적 핵분열을 검출하는 실험장치를 설명한 도해.
원소 이름에 대한 논란
105번 원소에 대해 구 소련과 동구권에서는 러시아 연구진이 제안한 닐스보륨(Ns)을, 그리고 미국과 서구권에서는 미국 연구진이 제안한 하늄(Ha)을 사용하는 혼란이 한동안 계속되었다. 이러한 문제는 이 원소 이외에 다른 여러 초페르뮴 원소들에 대해서도 있었는데, 이를 해결하기 위해 IUPAC은 국제순수·응용물리연맹(IUPAP)과 공동으로 1985년에 초페르뮴 특별소위원회(Transfermium Working Group, TWG)를 구성하였다. 이 위원회는 1992년에 105번 원소 발견의 공적은 두 팀이 함께 나누어가져야 한다고 결론짓고, 원소 이름에 대해서는 결론에 도달하기 전까지 잠정적으로 105번의 1, 0, 5에 해당하는 라틴어를 조합해 운닐펜튬(unnilpentium, 원소기호 Unp)으로 부르기로 하였다. 이후 1994년에 IUPAC은 105번 원소의 이름은 프랑스 과학자 졸리오-퀴리(Frederic Joliot-Curie) 부부의 이름을 따서 졸리오튬(joliotium, 원소기호는 Jl)으로, 그리고 104번과 106번 원소의 이름은 각각 더브늄(dubnium)과 러더포듐(rutherfordium)으로 하자고 제안하였는데, 양쪽이 모두 이에 동의하지 않았다. 마침내 IUPAC은 1997년에 105번 원소의 이름은 더브늄으로, 그리고 104번과 106번의 원소 이름은 각각 러더포듐과 시보귬(seaborgium)으로 결정하였다. 더브늄은 러시아의 인공원소의 산실인 합동핵연구소(JINR)가 있는 도시 이름 두브나(Dubna)를 딴 것이다. 두브나(Dubna)시는 모스크바(Moscow)에서 북쪽으로 125km 떨어진 볼가(Volga) 강변에 위치하며 인구가 약 7만인 도시로, JINR에는 18개국에서 온 1000명의 박사를 포함하여 약 5500명의 직원이 근무하고 있다(2012년 기준).
IUPAC은 이미 로렌스버클리 국립연구소가 이룩한 원소 발견에 대한 공헌을 인정하여 이 연구소가 위치한 미국 캘리포니아주 버클리에서 나라 이름, 도시 이름, 주 이름을 따서 각각 원자번호 95번의 아메리슘(Am), 97번의 버클륨(Bk), 98번의 캘리포늄(Cf)을 명명한 전례를 들어 러시아도 새로운 인공원소의 발견에 대한 공헌을 인정받아야 한다고 하면서 더브늄으로 할 것을 설득하였으며, 무리없이 채택되었다.
더브늄은 러시아의 인공원소의 산실인 합동핵연구소(JINR)가 있는 도시 이름 두브나(Dubna)를 딴 것이다. 사진은 두브나시의 풍경. <출처: (cc) Harveyqs at Wikimedia.org>
물리적 성질
더브늄은 반감기가 짧고 한번에 원자 몇 개만 얻어지므로 방사성 붕괴 성질 이외의 물리 및 화학적 특성들은 잘 알려져 있지 않다. 그러나 이론적 계산과 원소들의 주기율적 성질에서 여러 성질들이 예측되었는데, 상온에서 은색 고체이고 결정은 체심입방(bcc) 구조를 할 것으로 예상된다. 녹는점과 끓는점은 알려지지 않았으며, 밀도는 약 29 g/cm3 또는 21.6 g/cm3로 예측되었고, 원자 반경은 약 139 pm로 예측되었다.
더브늄의 바닥상태 전자배치.<출처: (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 알려진 더브늄의 동위원소는 질량수가 255~263, 266~268, 270인 13가지이다. 핵 이성질체는 257mDb, 258mDb, 260mDb가 알려져 있다. 질량수가 266 이상인 동위원소들은 직접 합성되지는 않았으며, 다른 무거운 원소들의 α 붕괴 사슬에서 발견되었다(아래의 합성 항 참조). 모든 인공 원소들과 마찬가지로, 더브늄 동위원소들도 안정한 것은 없고 모두 방사성 붕괴를 한다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 268Db(반감기 약 31시간)이며, 이외에 반감기가 비교적 긴 것들은 270Db(반감기 23.2시간), 267Db(반감기 약 4.6시간), 266Db(반감기 약 80분)이고 나머지 것들의 반감기는 0.5~30초 범위에 있다. 한가지 유념해야 할 것은 보고된 반감기의 불확실성이 크다는 것인데, 예로 268Db의 경우 불확실성은 5시간이다. 질량수가 263 이하인 동위원소들은 주로 α 붕괴를 하고 로렌슘(Lr) 동위원소가 되는데, 일부(약 20% 이하)는 자발적 핵 분열을 하고 가벼운 여러 핵으로 되거나, 또 다른 일부(약 36% 이하)는 β+ 붕괴를 하고 러더포듐(Rf) 동위원소가 되기도 한다. 다만 259Db는 거의 전적으로 α 붕괴를 하고 255Lr이 된다. 질량수가 266 이상인 동위원소들은 주로 자발적 핵분열을 하는데, 266Db와 268Db의 일부는 전자포획을 하고 각각 266Rf와 268Rf가 되기도 한다. 지금까지 알려진 핵종 중에서 268Db는 전자포획을 하는 가장 무거운 핵종이고, 263Db는 β+ 붕괴를 하는 가장 무거운 핵종이다.
화학적 성질
더브늄은 5족 원소로, 화학적 성질은 같은 족에 속하는 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta)과 비슷할 것으로 예상된다. 주된 산화상태는 +5이나, +4와 +3의 상화상태도 가능할 것으로 예상된다. 산소와 반응하여 아주 안정한 오산화물(Db2O5)을 만들며, 이 Db2O5는 알칼리 용액에서 오쏘더브늄산 이온(DbO43-)으로 전환될 것이 예상된다. 할로겐과는 쉽게 반응하여 오할로겐화물(DbX5)을 만들며, 이는 물과 반응하여 DbOX3 형의 옥시할로겐화물을 생성할 것이 예상되는데, 염화물과 보로민화물에 대해서는 실제로 기체 크로마토그래피를 사용하여 이들 화합물들의 생성이 확인되었다. DbX5는 휘발성 물질로, 기체상에서 삼각이중피라미드 구조를 갖는 단분자 기체로 존재할 것이 예상된다. DbCl5는 휘발성 고체이며, DbF5는 이보다 휘발성이 클 것으로 짐작되는데, 참고로 TaCl5는 녹는점과 끓는점이 각각 216℃와 238.4℃인 반면, TaF5는 녹는점과 끓는점이 각각 96.8℃와 229.5℃이다. DbF5는 HF와 반응하여 DbF6- 착이온을 만들며, 높은 농도의 F- 이온 존재 하에서는 DbF72-, DbF83-을 형성할 것이 예상된다.
더브늄의 화학적 성질은 같은 족에 속하는 나이오븀(Nb, 좌측), 탄탈럼(Ta, 우측)과 비슷할 것으로 예상된다.<출처: (cc)Alchemist-hp at Wikipedia.org>
더브늄의 합성
더브늄은 다른 여러 초페르뮴 원소들과 마찬가지로, 입자가속기를 사용하여 납(Pb), 비스무트(Bi) 등의 표적에 중(重)이온을 충돌시키는 콜드퓨전(cold fusion) 방법과 악티늄족 원소 표적에 적절한 원소의 이온을 충돌시키는 핫퓨전(hot fusion) 방법으로 합성된다(콜드퓨전과 핫퓨전은 네이버케스트 러더포듐 참조). 생성된 더브늄 동위원소는 자체 또는 방사성 붕괴로 생성되는 딸 원자핵의 방사성 붕괴 특성 등의 물리적 방법이나, 또는 휘발성인 오할로겐화물(예로 DbCl5)로 전환시킨 후 기체 크로마토그래피로 분리하여 검출하는 방사화학적 방법을 사용하여 확인된다.
러시아의 합동핵연구소(JINR)의 플레로프 핵반응연구실(Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, FLNR)과 미국의 로렌스버클리 국립연구소(LBL)에서 주로 합성되었으며, 일본의 원자력연구소(JAERI), 중국의 현대물리연구소(IMP), 독일의 중이온 가속기 연구소(GSI) 등에서도 일부 동위원소들이 합성되었다.
콜드퓨전
콜드퓨전에서는 81Tl, 82Pb 또는 83Bi 표적에 각각 24Cr, 23V, 22Ti 이온을 충돌시켜 합성한다. 표적과 충돌하는 이온이 융합된 들뜬 상태의 105Db 핵은 1~3 개의 중성자를 방출하면서 바닥 상태로 붕괴한다.
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핫퓨전
핫퓨전에서는 캘리포늄(98Cf) 이전의 악티늄족 원소 표적에 중이온(원자번호: 105-표적 원소 원자번호)을 충돌시켜 핵융합 시킨다. 높은 들뜬 에너지를 갖는 융합된 핵이 만들어지며, 보통 3-6개의 중성자를 방출하고 바닥 상태의 핵으로 전환된다. 들뜬 상태에서 핵 분열이 일어날 확률이 높아 생성 수율이 낮다.
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더브늄은 또한 보다 원자번호가 큰 원소들의 연속적인 α 붕괴 사슬의 생성물로도 검출되는데, 예로, 원자번호 107번인 보륨(Bh) 동위원소들의 α 붕괴 생성물로 질량수가 256~258, 261~263인 더브늄 동위원소들이 관찰되었다. 또한 원자번호 109번인 마이트너륨 동위원소 266Mt의 두 번의 α 붕괴 생성물로 258Db가, 111번인 뢴트게늄 동위원소 272Rg의 3번의 α 붕괴 생성물로 260Db가, 113번인 우눈트륨(Uut) 동위원소 282Uut와 278Uut의 4번의 α 붕괴 생성물로 각각 266Db와 262Db가, 115번인 우눈펜튬 동위원소 288Uup와 287Uup의 5번의 α 붕괴 생성물로 각각 268Db와 267Db가, 그리고 117번인 우눈셉튬 동위원소 294Uus의 6번의 α 붕괴 생성물로 270Db가 검출되었다.
- 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 더브늄
- 더브늄 원자의 바닥상태 전자배치는1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d37s2([Rn]5f146d37s2)로 예상된다. 질량수가 255~263, 266~268, 270인 13가지 동위원소들이 알려져 있는데, 가장 반감기가 긴 것은 268Db(반감기 약 31시간)이다. 녹는점과 끓는점은 알려져 있지 않으며, 밀도는 29 또는 21.6 g/cm3으로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 664.8, 1546.7, 2378.4 kJ/mol로 추정되었다. 주로 +5의 산화상태를 가지며, +4와 +3의 산화상태도 가능할 것이 예상된다. 원자의 반경은 138 pm로 추정된다.
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Dubnium
Dubna, Russia hosts one of the few institutions creating new elements. It took a while, but after some lobbying they have their own element, just like Berkeley. But Berkeley has its state and country too. Scroll down to see examples of Dubnium. | ||||||||||||||||
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