원자번호 109번의 원소 마이트너륨(meitnerium, Mt)은 열일곱 번째 초우라늄 원소이고 여섯 번째 초악티늄족 원소(transactinide element)인데, 주기율표에서 7주기 9족에 있는 전이금속 원소이다. 1982년에 독일 다름슈타트(Darmstadt)에 있는 중이온 가속기연구소(GSI) 연구진이 비스무트-209 표적에 가속된 철-58 이온을 쪼여 1주일 만에 질량수가 266인 동위원소(266Mt) 원자 단 1개를 검출하고 이를 정확하게 확인하였다. 그리고 6년 후인 1988년에는 같은 반응에서 원자 2개를 확인하였다. 현재 8가지 마이트너륨 동위원소가 알려져 있는데, 266Mt는 가장 가벼운 동위원소이고 유일하게 핵 융합 반응으로 합성되는 것이다. 다른 동위원소들은 원자번호 111, 113, 115, 117번 원소들의 α 붕괴 사슬에서 검출되었다. 가장 수명이 긴 동위원소는 278Mt인데, 반감기는 7.6초에 불과하다. 이처럼 마이트너륨은 반감기가 짧고, 얻은 원자수도 많지 않아 이의 물리-화학적 성질에 대한 실험이나 관찰은 전혀 이루어지지 않았다. 다만 이론적 계산 등에서 같은 9족 원소인 코발트, 레늄, 이리듐과 성질이 유사할 것으로 짐작된다. 원소 이름은 오스트리아 태생의 여성 물리학자 리제 마이트너(Lise Meitner)의 이름을 따서 지었는데, 그녀는 1938년에 원자핵 분열을 발견한 사람들 중의 한 명이다. 그녀는 이 공로로 4번이나 노벨상 후보에 올랐으나, 수상은 결국 그녀의 30년간의 연구 동료인 오토 한(Otto Hahn)에게 단독으로 돌아갔다. 유대인인 그녀가 1938년에 극적으로 독일을 탈출하여 네덜란드를 거쳐 스웨덴으로 망명한 일화는 유명하다. 마이트너륨에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 109번, 마이트너륨
마이트너륨(meitnerium)1)은 원자번호 109번의 원소로, 원소 기호는 Mt이다. 주기율표에서 d-구역(원자의 바닥 상태에서 가장 높은 에너지가 d-궤도에 있는 원소들로 이루어진 구역)의 초악티늄 원소의 하나이고, 7주기 9족에 있는 전이금속 원소이며, 백금족 원소의 하나이다. 9족 원소로는 코발트(Co), 로듐(Rh), 이리듐(Ir)도 있는데, 마이트너륨은 이리듐 바로 아래에 있으므로 에카-이리듐(eka-iridium)이라 부를 수 있으며, 화학적 성질은 이와 가장 비슷할 것으로 짐작된다.
- 수치로 보는 마이트너륨
- 마이트너륨은 원자번호 109번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d77s2([Rn]5f146d77s2)로 예상된다. 질량수가 266, 268, 270, 274~278 인 8가지 동위원소가 알려져 있는데, 이중 266Mt만 핵 융합 반응으로 합성되고, 다른 것들은 보다 원자번호가 크고 홀수인 원자들의 α 붕괴 사슬의 중간생성물로 얻어진다. 반감기가 가장 긴 것은 278Mt(반감기 7.6초)이며, 아직 발견되지 않은 279Mt의 반감기가 이보다 긴 약 6분으로 예측되었다. 녹는점과 끓는점은 알려져 있지 않으나 다른 9족 원소들의 성질을 고려하면 아주 높을 것으로 예상된다. 밀도는 37.4 g/cm3으로 예측되었는데, 이는 알려진 118개 원소 중 하슘 다음으로 클 것으로 짐작된다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 800.8, 1823.6, 2904.2 kJ/mol로 추정된다. 안정한 산화상태는 +6, +3, +1이고, 수용액에서는 +3의 상태가 가장 안정할 것이 예상되며, +9나 +4의 산화상태도 안정하게 존재할 수 있을 것으로 짐작된다. 결정은 면심입방(fcc) 구조를 하며, 원자의 반경은 128 pm로 예상된다.
핵 분열 이론을 제시한 물리학자 리제 마이트너(Lise Meitner)의 이름을 딴 원소 |
마이트너륨의 원소정보 |
마이트너륨은 반감기가 아주 짧은 인공 방사성 원소로, 1982년에 독일 중이온 가속기연구소(Gesellschaft fűr Schwerionenforschung, GSI) 연구팀이 비스무트-209(209Bi)에 가속된 철-58(58Fe) 이온을 충돌시켜 일주일 만에 동위원소 266Mt 원자 단 1개를 검출하고 확실하게 확인함으로써 처음 발견하였다. 현재 모두 8가지의 동위원소들이 알려져 있는데, 266Mt만 핵 융합 반응으로 합성되며, 다른 것들은 보다 원자번호가 크고 홀수인 원소들의 α 붕괴 사슬의 중간 생성물로 발견된다. 수명이 가장 긴 동위원소는 반감기 약 7.6초인 278Mt이며, 다른 동위원소들의 반감기는 0.001~0.7초이다.
마이트너륨은 단지 원자 몇 개만 관찰되었고 반감기도 아주 짧아, 이의 물리∙화학적 특성은 실험적으로 조사되지 않았다. 그러나 은색 금속으로, 귀금속의 성질을 보일 것으로 짐작된다. +6, +3, +1의 산화상태가 안정하고, 수용액에서는 +3의 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다. 밀도는 37.4 g/cm3으로 예측된다.
마이트너륨의 발견과 역사
마이트너륨의 발견은 1982년 8월 29 일에 독일 다름슈타트(Darmstadt)에 소재한 중이온 가속기연구소(GSI)의 아름브루스터(Peter Armbruster, 1931~)와 뮌첸베르크(Gottfried. Műnzenberg, 1940~)가 이끄는 연구진에 의해 이루어졌다. 그들은 이 원소를 얻기 위해 209Bi 표적에 가속된 58Fe 이온을 충돌시켰는데, 1주일 만에 266Mt 원자 1개를 검출하였다. 그들은 이 원자가 생성 후 0.05초 후에는 α 입자를 방출하고 보륨(Bh)이 되고, 보륨은 다시 α 붕괴로 더브늄(Db)이 되고, 더브늄은 전자포획으로 라더포듐-258(258Rf)로 전환되는 것을 확인하였다. 이 실험은 대략 10억의 10억 배(1018)나 되는 일련의 사건 중에서 단 한 개의 원자를 정확하게 찾아내어 확인한 것으로, 정교한 실험의 정수를 보여주었다고 할 수 있다. 1988년에는 같은 반응에서 원자 2개를 검출하였다.
266Mt는 현재까지는 핵 융합 반응으로 합성될 수 있는 유일한 마이트너륨 동위원소이다. 한편, 이 동위원소는 1985년과 2007년에 각각 러시아의 합동핵연구소(JINR)와 미국의 로렌스버클리 국립연구소(LBL) 연구진에 의해 208Pb 표적에 59Co 이온을 충돌시켜서도 합성되었다. 다른 동위원소들은 보다 원자번호가 큰 원소들의 α 붕괴 사슬의 중간생성물로 발견되었다.
그 동안 있었던 초페르뮴 원소들의 발견과 원소 이름을 둘러싼 논란 때문에, GSI 팀은 1992년에 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)의 보고서가 나올 때까지 109번 원소 이름을 제안하지 않고 있다가 원소 발견의 공적을 공식적으로 인정받은 이후에야 원소 이름을 오스트리아 태생의 물리학자 리제 마이트너(Lise Meitner)를 기리기 위해 마이트너륨(meitnerium)으로 제안하였다. 이 이름은 1994년에 IUPAC에 의해 만장일치로 추천되었고, 1997년에 104~108번의 초페르늄 원소들의 이름과 함께 공식적으로 채택되었다.
중이온 가속기연구소(GSI)의 연구진 사진. 닐스보륨(현재 정석 명칭은 보륨), 하슘, 마이트너륨이라고 써있는 팻말들이 보인다. 가운데 앉은 인물 왼쪽이 아름브루스터, 오른쪽이 뮌첸베르크.
리제 마이트너(Lise Meitner, 1878~1968)
실험실의 리제 마이트너(Lise Meitner)와 오토 한(Otto Hahn). 이들은 마이트너가 1938년에 독일을 탈출하기 전까지 30년간 새로운 원소의 발견, 중성자를 사용한 원자핵 분열 등을 함께 연구하였다. 두 사람은 여러 번 노벨화학상 후보자로 올랐으나, 오토 한이 1945년에 단독 수상하였다. 반면에, 마이트너만 자신의 이름을 딴 원소를 갖게 되었다.
리제 마이트너는 오스트리아 태생의 여성 물리학자이다. 그녀의 아버지는 오스트리아 최초의 유대인 변호사 중의 한 명으로, 딸의 교육을 적극적으로 후원한 것으로 알려져 있다. 1905년에 비엔나(Vienna) 대학에서 여성으로는 두 번째로 물리학 박사학위를 받았으며, 이후 베를린(Berlin)으로 옮겨 프랑크(Max Planck, 1858~1947)의 조수로 일하였고, 그 후 카이저빌헬름연구소(Kaiser Wilhelm Institute)에서 화학자 오토 한(Otto Hahn, 1879~1968)과 같이 일하면서 새로운 방사성 원소 프로탁티늄(Pa)과 여러 새로운 동위원소들을 공동으로 발견하였다. 1926년에는 독일에서 여성 최초로 베를린 대학 물리학 교수가 되었으며, 이후 한과 함께 여러 초우라늄 원소들에 대해 연구하였다.
1933년에 히틀러(Adolf Hitler)가 집권한 이후 많은 유대인 과학자들이 직장에서 쫓겨나고 독일을 떠나 미국 등으로 망명하는 와중에 마이트너는 연구에 파묻혀서 탈출을 시도하지 않다가 ‘그 유대인 여성 과학자는 베를린을 떠나지 못하도록 감시하라’는 명령이 내리는 등의 위험에 처하게 되었는데, 1938년 7월에 많은 동료 과학자들의 도움으로 무사히 독일을 탈출하는데 성공하였다. 이후 수년 동안 스톡홀름(Stockholm)의 노벨물리학연구소(Nobel Institute for Physics)에서 일하면서 덴마크의 닐스 보어(Niels Bohr)와 좋은 관계를 유지하였다. 한편, 한과 슈트라스만(Fritz Strassman. 1902~1980)은 우라늄-235(235U)에 중성자를 충돌시키면 바륨(Ba) 동위원소가 생성되는 것을 발견하고 이를 1938년 12월에 논문으로 발표하였으며, 한은 또한 이 연구 결과를 30년 간의 연구 동료였던 마이트너에게도 알렸는데, 마이트너는 이를 핵 분열로 설명하고 이에서 많은 양의 에너지를 얻을 수 있다고 추론하였다. 마이트너는 독일에서의 연구 결과가 방대한 폭발력을 갖는 핵분열 연쇄반응과 이를 이용한 신형폭탄(원자폭탄)의 개발로 이어질 가능성을 느끼고, 이를 미국을 방문중인 보어에게 알렸다. 이런 와중에 1939년 9월에 제2차 세계대전이 발발하자, 미국으로 망명한 여러 과학자들은 신형폭탄에 대한 연구 자료를 독일이 가지고 있는 것에 불안을 느껴, 그 해 10월에 루즈벨트 대통령에게 미국이 원자폭탄 개발연구 프로그램(Manhattan Project)에 나서 줄 것을 청원하였다.
마이트너를 기리는 독일(왼쪽) 과 오스트리아(오른쪽) 우표.
마이트너는 1938년에 제시한 핵 분열 해석에 대한 공로가 인정되어 4차례나 노벨상 후보에 올랐으나, 그녀가 빠진 한(Hahn)만이 핵 분열 발견에 대한 공적으로 1944년 노벨화학상(수상식은 1945년)을 수상하였다. 그러나, 많은 과학사학자들은 마이트너도 당연히 함께 수상했어야 했다고 여기고 있다.
물리적 성질
마이트너륨 동위원소들은 단지 원자 몇 개만 얻어졌고 반감기도 아주 짧아, 물리∙화학적 특성들은 직접 조사되지 않았다. 그러나 몇 가지 성질들이 예측되었는데, 은색 금속으로 백금족 원소의 성질을 보일 것으로 짐작된다. 이리듐처럼 결정은 면심입방(fcc) 구조를 할 것으로 짐작되며, 끓는점과 녹는점은 알려져 있지 않으나 녹는점이 이리듐의 녹는점인 2410℃보다 높을 것으로 예상된다. 밀도는 37.4 g/cm3 로 예측되는데, 이는 알려진 118개 원소 중에서 하슘(Hs)의 추정 밀도(40.7 g/cm3) 다음으로 큰 값이다. 참고로 밀도가 실제로 측정된 원소 중에서 가장 높은 것은 오스뮴(Os)으로, 20℃에서의 밀도가 22.59 g/cm3 이다. 원자반경은 128 pm로 예측된다.
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 알려진 마이트너륨의 동위원소는 질량수가 266, 268, 270, 274~278인 8가지인데, 이 중에서 266Mt(반감기 0.0017초)만 핵 융합 반응으로 합성되며, 다른 동위원소들은 보다 원자번호가 큰 원소들의 붕괴 사슬에서 발견되었다. 핵 이성질체는 아직 확증되지는 않았으나, 268mMt와 270mMt의 두 가지가 있는 것으로 여겨진다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 278Mt인데, 반감기가 7.6초에 불과하다. 278Mt 외에 274Mt(반감기 0.44초)와 276Mt(반감기 0.72초)의 반감기가 0.1초 이상으로 상대적으로 길며, 아직 발견되지 않은 279Mt의 반감기가 약 6분이 될 것으로 예측되었다. 277Mt를 제외한 모든 동위원소들은 α 붕괴를 하고 보륨(Bh) 동위원소가 되는데, 277Mt는 주로 자발적 핵분열을 하는 것으로 보인다.
화학적 성질
마이트너늄은 9족의 다른 원소들과 비슷한 화학적 성질을 보일 것으로 짐작된다. +6, +3, +1의 산화상태가 안정하며, 수용액에서는 +3의 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다. 최대 가능한 산화수는 +9인데, MtF9와 [MtO4]+가 가능할 것으로 짐작된다. 또 사할로겐화물 MtX4도 가능하며, 육플루오르화물 MtF6와 팔플루오르화물 MtF8은 휘발성이 커서 기체 상태 화학 실험에 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 참고로 IrF6는 녹는점이 44.4℃이고 끓는점은 53℃이다.
마이트너륨의 합성
알려진 8가지 마이트너륨 동위원소 중에서 266Mt만 핵 융합 반응으로 합성되었는데, 1982년에 독일 중이온 가속기연구소(GSI)에서 209Bi 표적에 가속된 58Fe 이온을 충돌시켜 1주일 만에 266Mt 원자 한 개를 확인한 것이 이 원소의 최초 합성으로 인정되고 있다. 이후 1985년에 러시아 두브나(Dubna)에 소재한 합동핵연구소(JINR) 연구진은 같은 반응에서 마이트너륨의 방사성 붕괴 생성물로 여겨지는 246Cf의 α 붕괴를 확인하였고, 1988년에는 266Mt 원자 두 개를 검출하였으며, GSI 팀은 1997년에 추가로 12개의 원자 생성을 확인하였다. 한편, 두브나 팀은 1985년에 208Pb에 가속된 59Co를 충돌시키는 실험도 수행하였는데, 209Bi/58Fe 반응에서와 마찬가지로, 246Cf의 α 붕괴를 확인하였다. 2007년에 미국의 로렌스버클리 국립연구소(LBL) 팀은 이 반응에서 266Mt의 방사성 붕괴 사슬을 확인하였다.
가벼운 초우라늄 원소들을 표적으로 사용하는 핫퓨전 방법도 시도되었으나, 이들에서는 마이트너륨을 검출하지 못하였다. 예로, LBL 팀은 238U에 37Cl 이온을 충돌시켜 271Mt를, 249Bk와 26Mg의 반응에서 271Mt를, 그리고 254Es와 22Ne의 반응에서 272Mt를 합성하려 하였으나, 성공하지 못하였다. 이외에도 아메리슘(Am) 표적과 규소(Si) 이온간의 반응도 시도되었으나, 마이트너륨 생성은 관찰되지 않았다.
독일 중이온 가속기연구소(GSI)에 설치된 범용 선형가속기(UNILAC)의 내부 사진. 마이트너륨은 이 가속기를 사용하여 비스무트-209 표적에 가속된 철-58 이온을 충돌시켜 합성되었는데, 일 주일 동안 충돌시켜 단지 원자 1개를 검출하였다
보다 무거운 원소의 붕괴 생성물로 얻는 경우
266Mt를 제외한 마이트너륨 동위원소들은 보다 원자번호가 크고 홀수인 원소들이 1~4번의 α 붕괴를 일으킨 생성물로 발견된다. 예로, 111번 뢴트겐늄(roentgenium, Rg) 동위원소 272Rg, 274Rg, 278Rg, 279Rg, 280Rg, 281Rg, 282Rg의 α 붕괴로 이들보다 질량수 4가 적은 마이트너륨 동위원소가 생성된다. 그리고 113번 우눈트륨(ununtrium, Uut), 115번 우눈펜튬(ununpentium, Uup), 117번 우눈셉튬(ununseptium, Uus)이 각각 1, 2, 3회 α 붕괴를 일으켜 앞서의 뢴트겐늄 동위원소로 전환되는 경우는, 이들 뢴트겐늄 동위원소의 α 붕괴에 따라 마이트너륨 동위원소가 생성된다. 예로 294Uus는 연속적인 4번의 α 붕괴로 282Rg를 거쳐 278Mt가 된다.
- 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.
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주석
- 1수치로 보는 마이트너륨
- 마이트너륨은 원자번호 109번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d77s2([Rn]5f146d77s2)로 예상된다. 질량수가 266, 268, 270, 274~278 인 8가지 동위원소가 알려져 있는데, 이중 266Mt만 핵 융합 반응으로 합성되고, 다른 것들은 보다 원자번호가 크고 홀수인 원자들의 α 붕괴 사슬의 중간생성물로 얻어진다. 반감기가 가장 긴 것은 278Mt(반감기 7.6초)이며, 아직 발견되지 않은 279Mt의 반감기가 이보다 긴 약 6분으로 예측되었다. 녹는점과 끓는점은 알려져 있지 않으나 다른 9족 원소들의 성질을 고려하면 아주 높을 것으로 예상된다. 밀도는 37.4 g/cm3으로 예측되었는데, 이는 알려진 118개 원소 중 하슘 다음으로 클 것으로 짐작된다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 800.8, 1823.6, 2904.2 kJ/mol로 추정된다. 안정한 산화상태는 +6, +3, +1이고, 수용액에서는 +3의 상태가 가장 안정할 것이 예상되며, +9나 +4의 산화상태도 안정하게 존재할 수 있을 것으로 짐작된다. 결정은 면심입방(fcc) 구조를 하며, 원자의 반경은 128 pm로 예상된다.
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Meitnerium
Lise Meitner did not share the Nobel Prize for atomic fission with Otto Hahn, as many thought she should have, but she did get the last laugh--her own element, a far less fleeting honor than a mere Nobel. Scroll down to see examples of Meitnerium | ||||||||||||||||
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