원자번호 110번 원소 다름슈타튬(darmstadtium, Ds)은 18 번째 초우라늄 원소이고 7 번째 초악티늄족 원소(transactinide element)인데, 주기율표에서 7주기 10족에 있는 전이금속 원소이다. 1994년 11월 9일에 독일 중이온 가속기연구소(GSI) 연구진이 질량수 269인 원자(지금의 표기로 269Ds) 1개를 검출하고 확인한 것이 이 원소의 처음 합성이자 발견이다. 이는 같은 연구진이 1984년에 원자번호 108번인 하슘(Hs)을 합성∙발견한 이후 10년 만에 이룬 새로운 원소 발견이다. 이 동안의 10년은 첫 번째 초우라늄 원소인 넵투늄(Np, 원자번호 93)이 1940년에 인공적으로 처음 합성되어 발견된 이후, 새로운 원소가 합성∙발견되지 않은 가장 긴 공백기간이다. 참고로, 다름슈타튬이 발견된 이후 1년 3개월 이내에 원자번호 111번과 112번 원소들이 합성∙발견되었다. 이처럼 과학적 진전이나 발견은 점진적이기보다는 도약적으로 일어나는 것이 보통이다. 원소 이름은 이 원소를 포함하여 6가지 초악티늄족 원소들을 합성∙발견한 업적을 이룬 독일 중이온 가속기연구소가 있는 도시 이름 다름슈타트(Darmstadt)에서 따왔는데, 이는 97번 원소 버클륨(Bk)을 로렌스버클리 국립연구소(LBL)가 소재한 도시 이름 버클리(Berkeley)를, 그리고 105번 원소 더브늄(Db)을 러시아 합동핵연구소(JINR)가 있는 도시 이름 두브나(Dubna)를 따서 지은 것과 유사하다. 다름슈타튬은 반감기가 아주 짧은 방사성 원소로, 수명이 가장 긴 동위원소의 반감기가 약 11초에 불과하다. 성질들은 실제로 조사되지는 않았으나, 다른 10족 원소들과 비슷할 것으로 계산되었다. 다름슈타튬에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 110번, 다름슈타튬
다름슈타튬(darmstadtium)1)은 원자번호 110번의 원소로, 원소 기호는 Ds이다. 주기율표에서 d-구역(원자의 바닥 상태에서 가장 높은 에너지가 d-궤도에 있는 원소들로 이루어진 구역)의 전이금속 원소의 하나이며, 7주기 10족에 있는 초악티늄족 원소이고, 백금족 원소의 하나이다. 10족 원소로는 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)도 있는데, 다름슈타튬은 백금 바로 아래에 있으므로 에카-백금(eka-platinum)이라 부를 수 있으며, 화학적 성질은 백금과 비슷할 것으로 짐작된다.
독일 도시 다름슈타트(Darmstadt)를 딴 이름의 원소<출처 : (cc) Heidas at Wikimedia.org> |
다름슈타튬의 원소정보 |
다름슈타튬은 모든 동위원소의 반감기가 아주 짧은 인공 방사성 원소로, 1994년 11월 9일에 독일 중이온 가속기연구소(Gesellschaft fűr Schwerionenforschung, GSI) 연구팀이 납-208(208Pb)에 가속된 니켈-62(62Ni) 이온을 충돌시켜 269Ds 원자 1개를 검출하고 확인함으로써 처음 발견되었다. 지금은 질량수가 269~281 사이에 있는 7가지의 동위원소와 2가지 핵 이성질체들이 알려져 있는데, 수명이 가장 긴 것은 반감기가 약 11초인 281Ds이며, 다른 동위원소들의 반감기는 0.0001~0.2초이다. 질량수가 273보다 가벼운 동위원소와 핵 이성질체들은 핵 융합 반응으로 합성되며, 이보다 무거운 동위원소들은 원자번호 112번인 코페르니슘(Cn), 114번인 플레로븀(Fl), 116번인 리버모륨(Lv)의 α 붕괴 사슬에서 관찰된다. 질량수가 273인 동위원소는 핵 융합 반응에서 얻을 수도 있고, α 붕괴 사슬에서 얻을 수도 있다.
다름슈타튬은 한번에 단지 원자 몇 개만 합성되고 반감기도 아주 짧아, 이의 물리∙화학적 특성은 실험적으로 조사되지 않았다. 그러나 은색 금속으로, 화학적 성질은 다른 10족 원소들과 비슷할 것으로 짐작된다. +6, +4, +2의 산화상태가 안정하고, 수용액에서는 중성(산화수 0) 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다. 밀도는 34.8 g/cm3으로 예측되었다.
다름슈타튬의 발견과 역사
110번 원소 다름슈타튬의 발견은 1995~1996년에 러시아, 미국, 독일 3곳의 연구진에 의해 각각 보고되었다. 그러나 발견의 공적은 처음으로 원소를 확실히 발견하고 검증한 독일 다름슈타트(Darmstadt)의 중이온 가속기연구소(Gesellschaft fűr Schwerionenforschung, GSI) 연구진에게 주어지고 있는데, 그들은 1994년 11월 9일에 처음으로 원자 1개를 검출하고 확인하였다. 이 발견은 같은 연구진이 원자번호 108번인 하슘(Hs)을 1984년에 합성∙발견한지 10년이 지난 후에 이루어진 것인데, 그 사이의 10년은 초우라늄 원소로는 처음으로 1940년에 넵투늄(Np, 원자번호 93)이 인공적으로 합성된 이후, 새로운 원소가 합성∙발견되지 않은 가장 긴 공백기간이다. 물론 이 기간에도 110번 원소를 비롯한 여러 새로운 원소를 합성하여 발견하려는 노력이 있었으나, 모두 실패하였거나 아니면 완전하게 신뢰할 만한 증거 자료가 제시되지 않았다.
다름슈타튬을 생성시키기 위해 납 표적에 니켈 이온을 쪼이는데 사용된 독일 중이온 가속기연구소(GSI)의 범용 선형가속기(UNILAC) 내부. 사람이 들어가 작업 중인 모습이다.
1986년에 러시아(구 소련)의 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 연구진은 110번 원소의 동위원소를 합성하기 위해 가속기를 사용하여 납-208(208Pb)에 니켈-64(64Ni) 이온을, 비스무트-209(209Bi) 표적에 코발트-59(59Co) 이온을, 그리고 토륨-232(232Th)에 칼슘-44(44Ca) 또는 칼슘-48(48Ca) 이온을 충돌시키는 실험을 수행하였으나 110번 원소를 검출하지 못하였다. 같은 해에 독일의 GSI에서도 208Pb 표적에 64Ni 이온을 충돌시켰으나, 역시 110번 원소를 검출하지 못하였으며, 다음 해에 JINR에서 수행된 우라늄-238(238U), 236U, 또는 235U 표적에 아르곤-40(40Ar) 이온을 충돌시키는 실험이나 1990년에 GSI에서 수행된 235U와 233U 표적에 40Ar 이온을 충돌시키는 실험들에서도 모두 110번 원소 생성을 검출하지 못하였다.
110번 원소 발견에 대한 최초의 보고는 미국의 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL)의 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010) 팀에 의해 발표되었는데, 그들은 1991년에 209Bi 표적에 59Co 이온을 충돌시켜 267Ds 원자 1개를 검출하는데 성공하였다고 1995년에 보고하였다. 그러나 그 후 이 실험에 사용했던 초중이온 선형가속기(super-HILAC)가 사용 불능 상태가 되어, 자신들의 발견을 확증할 추가적 실험을 수행하지 못하였으며, 따라서 이 보고는 아직도 완전히 검증되지 않은 상태이다. 한편, 러시아의 라자레프(Yuri A. Lazarev, 1946~1996)가 이끄는 JINR과 미국 로렌스리버모어 국립연구소(LLNL) 공동 연구진은 플루토늄-244(244Pu)에 황-34(34S) 이온을 충돌시켜 반감기가 0.0003초이고 α 붕괴를 하는 110번 원소(지금의 표기로 273Ds)를 검출하였다고 1996년에 보고하였으나, 이들 역시 이 주장을 뒷받침하는 추가적 실험을 수행하지 않았다.
다름슈타튬의 확실한 발견은 1994년 11월 9일에 독일 GSI에서 호프만(Sigurd Hofmann, 1944~), 아름브루스터(Peter Armbruster, 1931~), 뮌첸베르크(Gottfried. Műnzenberg, 1940~) 등의 연구진에 의해 이루어진 것으로 인정되고 있다. 그들은 208Pb 표적에 62Ni 이온을 충돌시켜 단 한 개의 110번 원자를 검출하고, 이것이 연속적으로 4번의 α 붕괴를 하고 253No이 되는 것을 관찰함으로써 이 동위원소가 269Ds임을 확인하였다.
여기서 화살표 아래의 시간(1 μs = 1x10-6초, 1 ms = 1x10-3초)은 화살표 왼쪽에 있는 원자 1개의 수명으로 반감기와는 다르다. 이후 다음 8일 동안에 269Ds 원자 3개를 추가로 검출하였는데, 이들의 붕괴 시간에서 구한 269Ds의 반감기는 170 μs(불확실도 +160, -60 μs)로 계산되었다. 그들은 이어서 62Ni 대신 64Ni를 충돌이온으로 사용한 두 번의 실험을 통해 새로운 동위원소 271Ds 원자 9개를 검출하고 확인하였다. 208Pb/64Ni 반응은 1986년에 GSI팀은 물론 러시아 팀에서도 수행하였으나 다름슈타튬 검출에 실패하였던 반응인데, 이후 GSI 팀이 연구소의 범용 선형가속기(UNILAC)와 중이온 반응 생성물 분리기(SHIP)를 더욱 개선시켜 1994년에 마침내 다름슈타튬 검출에 성공한 것이다. 참고로, GSI 팀은 다름슈타튬 발견 후 15개월 이내에 111번 원소 뢴트게늄(Rg)과 112번 원소 코페르니슘(Cn)을 연이어 합성∙발견하였다.
원자번호 110~112번 원소들의 발견에 대한 주장을 검증하기 위해 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)과 국제순수∙응용물리연맹(IUPAP)은 공동으로 1998년에 합동실무위원회(Joint Working Party, JWP)를 구성하였는데, 이 위원회는 2001년 보고서에서 LBL와 JINR에서의 결과는 완벽하지 않은 반면, 1994년 GSI에서의 연구 결과는 다른 연구소에서도 재현되었다고 결론을 내리고 GSI팀을 110번 원소의 발견자로 공식 인정하였다. 참고로, 원자번호 101번 이후의 초페르뮴 원소들의 발견에 대한 주장을 검증하고, 발견자와 원소 이름을 정하기 위해 IUPAC/IUPAP이 1985년에 공동으로 구성한 초페르뮴 특별소위원회(Transfermium Working Group, TWP)는 1992년의 최종 보고서를 끝으로 임무가 종료되었다.
합동실무위원회가 2001년에 110번 원소 발견자에 대한 공식적인 의견을 내어놓기 전까지 어떤 연구팀도 110번 원소 이름을 제안하지 않았으며, 이 원소는 IUPAC의 잠정적인 계통적 원소 명명법에 따라 우눈닐륨(ununnilium)이라 불렸는데, 이는 1, 1, 0에 해당하는 라틴어 어간 un, un, nil을 합친 어원에 접미어 ‘ium’을 붙여 만든 것이다. 원소 기호는 Uun 또는 단순히 110으로 표기하였다. 이후, IUPAC은 110번 원소 발견자로 인정된 GSI 연구진에 원소 이름을 제안해 줄 것을 요청하였으며, GSI는 원소가 발견된 도시 이름 다름슈타트(Darmstadt)를 따서 다름슈타튬(darmstadtium)으로 제안하였고, 이는 2003년 8월의 IUPAC 총회에서 공식적으로 승인되었다.
독일 다름슈타트(Darmstadt)에 있는 컨퍼런스 센터 ‘다름슈타튬(Darmstadtium). 이 센터의 이름을 원소 이름 ‘다름슈타튬’과 같은 것으로 정해서 다름슈타트가 과학의 도시임을 내세우고 있다. <출처 : (cc) Nicolas17 at Wikimedia.org>
물리 및 화학적 성질
다름슈타튬은 한번에 단지 원자 몇 개만 얻어지고 반감기도 아주 짧기 때문에, 물리∙화학적 성질들이 실험적으로는 조사되지 않았다. 그러나 몇 가지 성질들이 이론적 계산 등으로 예측되었는데, 은색 금속으로 10족의 다른 원소(니켈, 팔라듐, 백금)들과 비슷한 성질을 보이며, 귀금속의 하나일 것으로 짐작된다. 한편, 다른 10족 원소들의 결정은 면심입방(fcc) 구조를 갖는 것과는 대조적으로, 다름슈타튬 결정은 체심입방(bcc) 구조를 할 것으로 예측된다. 끓는점과 녹는점은 아직 예측되지 않았으나, 밀도는 34.8 g/cm3, 원자 반경은 약 132 pm로 예측되었다. 계산으로 구한 원자의 바닥 상태 전자배치는 원자의 전자배치원리(aufbau principle)와 부합되게 [Rn]5f146d87s2로 계산되었는데, 이는 백금(Pt)의 전자배치가 [Xe]4f145d96s1인 것과는 최외각 전자배치에서 차이가 있다. 이는 상대론적 효과에 따른 7s2 전자쌍의 안정화에 의한 것으로 설명된다.
다름슈타튬은 다른 10족 원소들처럼, +6, +4, +2의 산화상태가 안정하며, 수용액에서는 중성(산화수 0) 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다. DsO, DsO2, DsO3 형의 산화물을 만들고, 육플루오르화물(DsF6)도 만들 것으로 예상된다. DsF6는 충분히 휘발성(참고로, PtF6의 녹는점은 61.3℃이고, 끓는점은 69.14℃임)이 있을 것으로 예상되어 다름슈타튬의 화학적 연구에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만 이를 위해서는 다름슈타튬의 반감기가 최소한 1초는 되어야 하는데, 이런 동위원소를 얻기가 매우 어렵다는 제한점이 있다.
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 알려진 다름슈타튬의 동위원소는 질량수가 269~271, 273, 277, 279, 281인 7가지이고, 핵 이성질체는 270mDs와 271mDs의 2 가지이다. 이외 267Ds와 281mDs를 검출하였다는 보고들이 있었으나, 아직 완전히 검증된 것은 아니다. 질량수가 273 이하인 동위원소와 핵 이성질체들은 핵 융합 반응으로 직접 합성되어 얻어졌으나, 그 이상인 것들은 원자번호 112번의 코페르니슘(Cn), 114번의 플레로븀(Fl), 116번의 리버모륨(Lv) 동위원소가 1~3번의 α 붕괴를 일으킨 생성물로 얻어진다. 일반적으로 초중원소들의 반감기는 질량수가 클수록 긴데, 이 점은 다름슈타튬도 마찬가지다. 즉, 알려진 동위원소 중에서 수명이 가장 긴 것은 281Ds(반감기 약 11초)이고, 다음으로 긴 것은 279Ds(반감기 0.18초)이다. 아직 확증되지 않은 핵 이성질체 281mDs의 반감기가 이들보다 긴 약 3.7분으로 보고되었으며, 아직 발견되지 않은 294Ds는 마법의 수(magic number)의 중성자(184 개)를 가져 반감기가 311년이나 될 것으로 이론적 계산에서 예측되기도 하였다. 다름슈타튬 동위원소와 핵 이성질체들은 주로 α 붕괴를 하고 하슘(Hs) 동위원소로 전환되는데, 다만 279Ds와 281Ds의 경우에는 각각 90%와 94%가 자발적 핵분열을 하고, 나머지 10%와 6%만 α 붕괴를 하는 것으로 보고되었다.
다름슈타튬의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
다름슈타튬의 합성
질량수가 273 이하인 다름슈타튬 동위원소들은 중이온 가속기를 사용하여 핵 융합 반응으로 합성되며, 273 이상인 동위원소들은 코페르니슘(Cn, 원자번호 112), 플레로븀(Fl, 원자번호 114), 또는 리버모륨(Lv, 원자번호 116)의 α 붕괴 사슬에서 얻어진다. 다름슈타튬의 핵 합성은 주로 납(Pb) 표적에 가속된 니켈(Ni) 이온을 충돌시키는 콜드퓨전 방법에 의해 이루어지는데, 표적과 충돌 이온의 질량수에 따라 생성되는 동위원소가 달라진다.
가장 널리 연구된 반응은 208Pb/64Ni 사이의 반응이다.
이 반응은 1986년에 러시아 JINR와 독일 GSI에서 시도되었으나, 다름슈타튬을 검출하는데 실패했던 반응이다. 그 후, GSI가 가속기와 생성물의 분리∙검출 시설(SHIP)의 성능을 향상시킨 후 1994년에 수행한 두 번의 실험에서 271Ds 원자 9개를 검출하였으며, 271Ds의 핵 이성질체 271mDs도 검출하였다. 이 반응은 그 후 여러 곳에서 재현되었는데, 2000년에는 GSI에서 원자 4개를 검출하였고, 2000년과 2004년에는 미국의 LBL에서 도합 9개의 원자를 검출하였으며, 2002년에는 일본 이화학연구소(RIKEN)에서 14개의 원자를 검출하였다.
위의 반응에서 충돌 이온을 64Ni 대신 62Ni를 사용하면, 질량수에서 2가 적은 동위원소가 얻어진다.
독일 GSI는 이 반응을 이용하여 1994년 11월 9일에 269Ds 원자 1개를, 그리고 다음 8일 동안에 원자 3개를 검출하고 확인하였는데, 이것이 다름슈타튬의 최초 합성·발견으로 인정받고 있다.
이들 외에도 다름슈타튬의 검출이 보고된 콜드퓨젼 반응이 2가지 더 있는데, 하나는 207Pb 표적에 64Ni 이온을 충돌시키는 반응이고, 다른 하나는 209Bi 표적에 59Co 이온을 충돌시키는 반응이다.
위의 첫 번째 반응은 2000년에 GSI 팀이 연구하였는데, 270Ds 원자 8개와 이의 핵 이성질체 270mDs를 검출하는데 성공하였다고 보고하였다. 그리고 두 번째 반응은 1986년에 JINR에서 시도하였으나 다름슈타튬은 검출하지 못하였고, 1995년에 LBL 연구진이 이 반응을 통해 267Ds 원자 1개를 검출하는데 성공하였다고 보고하였으나, 아직 검증되지는 않았다. 만약 검증된다면, 267Ds은 알려진 가장 가벼운 다름슈타튬 동위원소가 될 것이다.
표적으로 가벼운 악티늄족 원소를 사용하는 핫퓨젼 반응도 다름슈타튬의 합성에 이용되었는데, 1996년에 러시아 JINR 연구진이 보고한 244Pu 표적에 34S 이온을 충돌시키는 반응이 그 예이다. 그들은 이 반응에서 273Ds 원자 1개를 검출하였다고 보고하였다.
이외에도 몇 가지 반응들이 시도되었으나, 이들에서는 다름슈타튬을 검출하지 못하였다(앞의 발견과 역사 항 참조).
110번 원소 다름슈타튬의 합성과 이의 α 붕괴 사슬이 인쇄된 배너를 들고 포즈를 취한 다름슈타튬을 발견한 과학자들. 중앙에 호프만(S. Hofmann) 박사가 있고 그의 바로 오른쪽에 아름브루스터(P. Armbruster) 교수가 있다. <출처 : http://www.chemie-master.de>
보다 무거운 원소의 붕괴 생성물로 얻는 경우
다름슈타튬은 원자번호 112번 코페르니슘(Cn)의 붕괴 생성물로도 얻어진다. 알려진 6가지 코페르니슘 동위원소 중에서 277Cn, 281Cn, 283Cn, 285Cn이 α 붕괴를 하고 각각 273Ds, 277Ds, 279Ds, 281Ds로 전환된다. 참고로, 다른 2가지 동위원소 282Cn과 284Cn은 거의 전적으로 자발적 핵분열을 한다. 한편, 코페르니슘은 114번 원소 플레로븀(Fl)과 116번 원소 리버모륨(Lv)이 각각 1번과 2번의 α 붕괴를 일으켜서 생성되므로, 결국 플레로븀과 리버모륨의 α 붕괴 사슬에서도 다름슈타튬 동위원소가 얻어진다. 즉 285Fl에서 277Ds가, 291Lv와 287Fl에서 279Ds가, 그리고 293Lv와 289Fl에서 281Ds이 생성된다. 293Lv에서 281Ds로 전환되는 과정을 예로 들어 보이면 다음과 같다.
수치로 보는 다름슈타튬
다름슈타튬은 원자번호 110번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d87s2([Rn]5f146d87s2)인 것으로 계산되었다. 질량수가 269~271, 273, 277, 279, 281인 7가지 동위원소가 알려져 있는데, 273Ds, 277Ds, 279Ds, 281Ds는 원자번호 112, 114, 116번 원소들의 α 붕괴 사슬의 중간생성물로 얻어지고, 다른 동위원소들은 핵 융합 반응으로 합성되는데, 273Ds도 핵 융합 반응으로 얻을 수 있다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 281Ds(반감기 약11초)이며, 다음으로 긴 것은 279Ds(반감기 0.18 초)이다. 아직 완전히 검증되지는 않았으나, 핵 이성질체 281mDs의 반감기가 약 3.7분이라는 보고가 있다. 결정은 체심입방(bcc) 구조를 하고, 밀도는 34.8 g/cm3이며, 원자 반경은 132 pm로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 955.2, 1891.1, 3029.6 kJ/mol로 예측된다. 안정한 산화상태는 +6, +4, +2이고, 수용액에서는 산화수 0(중성)의 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다.
- 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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Darmstadtium
Darmstadt is the latest city to get an element named after itself. Not many more are in the running, since you need to build huge nuclear accelerators, and elements get harder to make the higher you go. Scroll down to see examples of Darmstadtium. | ||||||||||||||||
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