원자번호 111번 원소는 뢴트게늄(roentgenium, Rg)이다. 1994년 12월 8일에 독일 중이온 가속기연구소(GSI) 연구진이 처음 합성 및 발견했다. 같은 연구진이 110번 원소를 발견한지 불과 한달 만의 일이었다. 원소 이름은 1895년에 X-선을 발견하고 1901년에 최초의 노벨물리학상을 수상한 독일 물리학자 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845~1923)의 이름을 따서 지었다. 현재 7가지 동위원소가 알려져 있는데, 모두 수명이 짧고 강한 방사성을 낸다. 물리-화학적 성질은 실험적으로 조사되지 않았으나, 11족의 다른 원소들인 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)과 비슷할 것으로 여겨진다. 뢴트게늄에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 111번, 뢴트게늄
뢴트게늄(roentgenium)1)은 원자번호 111번의 원소로, 원소 기호는 Rg이다. 주기율표에서 d-구역의 전이금속 원소의 하나이며, 7주기 11족(구리족)에 있는 초악티늄 원소이다. 11족 원소로는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)도 있는데, 뢴트게늄은 금 바로 아래에 있으므로 에카-금(eka-gold)이라 부를 수 있으며, 2004년에 공식 이름이 정해지기 전까지는 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)의 잠정적 계통적 이름인 우누누늄(Unununium, Uuu)이라 불렸다.
- 수치로 보는 뢴트게늄
- 뢴트게늄은 원자번호 111번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d97s2([Rn]5f146d97s2)로 계산된다. 질량수가 272, 274, 278~282인 7가지 동위원소가 알려져 있는데, 272Rg만 핵 융합 반응으로 합성될 수 있고, 다른 것들은 원자번호 113, 115, 117번 원소들의 α 붕괴 사슬에서 관찰된다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 281Rg(반감기 26초)이고, 다음으로 긴 것은 280Rg(반감기 3.6 초)이며, 나머지 것들은 반감기가 0.002~0.5초이다. 미발견된 283Rg의 반감기가10분으로 예측되고 있다. 결정은 체심입방(bcc) 구조를 하고, 밀도는 28.7 g/cm3이며, 원자 반경은 약 138 pm 일 것으로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 1022.7, 2074.4, 3077.9 kJ/mol로 예측되었다. 화합물에서 안정한 산화상태는 +5, +3, +1. -1이고, 이중에서 +3의 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다.
X-선을 발견하고 첫 번째 노벨물리학상을 수상한 뢴트겐의 이름을 딴 원소 |
뢴트게늄의 원소정보 |
뢴트게늄은 모든 동위원소의 반감기가 아주 짧은 인공 방사성 원소로, 1994년 12월 8~17일에 독일 중이온 가속기연구소(Gesellschaft fűr Schwerionenforschung, GSI) 연구팀이 비스무트-209(209Bi)에 가속된 니켈-64(64Ni) 이온을 충돌시켜 반감기가 0.0015초(1.5 ms)인 272Rg 원자 3개를 검출하고 확인함으로써 처음 발견되었다. 질량수가 272~282 범위에 있는 7가지의 동위원소가 알려져 있는데, 272Rg만 핵 융합 반응으로 합성될 수 있고, 다른 것들은 원자번호 113번인 우눈트륨(Uut), 115번인 우눈펜튬(Uup). 117번인 우눈셉튬 (Uus)의 α 붕괴 사슬에서 검출된다. 수명이 가장 긴 것은 반감기가 26초인 281Rg이다.
뢴트게늄은 한번에 단지 원자 몇 개만 검출되고 반감기도 아주 짧아 녹는점, 끓는점, 밀도 등이 측정되지 않았으며. 앞으로도 측정될 가능성이 거의 없다. 그러나 충분한 양이 얻어진다면, 금과 비슷하게 귀금속의 성질을 보이고 금과 유사한 화합물을 만들 것이 예상된다. +5, +3, +1, -1의 산화상태가 안정하고, 밀도는 28.7 g/cm3로 예측되었다.
뢴트게늄의 발견과 역사
111번 원소 뢴트게늄은 1994년에 209Bi 표적에 가속된 64Ni 이온을 충돌시켜 동위원소 272Rg를 검출함으로써 처음 발견되었다. 그림은 한 개의 272Rg(272111으로 표시) 원자에서 측정된 α 붕괴 사슬의 모핵과 딸핵의 수명과 이들에서 방출되는 α 입자의 에너지를 보여준다.
1986년에 러시아(구 소련)의 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 연구진은 111번 원소를 합성하기 위해 가속기를 사용하여 비스무트-209(209Bi)에 니켈-64(64Ni) 이온을 충돌시켰으나, 111번 원소를 검출하는데 실패하였다. 1994년에 독일 중이온 가속기연구소(Gesellschaft fűr Schwerionenforschung, GSI)의 호프만(Sigurd Hofmann, 1944~)이 이끄는 연구팀은 이 핵융합 반응을 다시 수행하였는데, 그들은 1994년 12월 8~17일에 반감기가 1.5 ms(1ms=0.0015초)인 111번 원자 3개를 검출하고, 이것에서 출발하는 연속적인 5번의 α 붕괴를 관찰하고 딸 핵 종을 확인하여 이 동위원소가 272Rg임을 확인하였다. 그들은 또한 272Rg의 α 붕괴 사슬에서 268Mt와 264Bh을 처음으로 발견하였다.
위의 붕괴 사슬에서 화살표 아래의 시간은 화살표 왼쪽의 한 원자가 생성 후 붕괴될 때까지 걸린 시간으로 반감기와는 다르다. GSI에서의 111번 원소 발견은 이 연구소에서 208Pb 표적에 62Ni 이온을 충돌시켜 110번 원소 269Ds를 처음 합성·발견한지 1달 만에 이룬 성과인데, 이는 이 연구소의 범용 선형가속기(UNILAC)와 중이온 반응 생성물 분리기(SHIP)를 한층 개선시켜 이루어진 결과로 볼 수 있다. 참고로, 이전 10년 동안은 전세계적으로 새로운 원소 발견의 성과가 없었다.
원자번호 110 이후의 원소들의 발견에 대한 주장을 검증하기 위해 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)과 국제순수∙응용물리연맹(IUPAP)이 1998년에 공동으로 구성한 합동실무위원회(Joint Working Party, JWP)는 2001년에 GSI 팀이 주장한 1994년의 111번 원소 발견에 대해 증거가 불충분하다는 결론을 내렸다. 이에 따라 GSI 팀은 재 실험을 수행하여 원자 3개를 추가적으로 검출하고 이 자료를 JWP에 제출하였는데, JWP는 2003년의 보고서에서 GSI 연구팀을 111번 원소 발견자로 인정한다고 결론지었다.
111번 원소의 공식적인 이름이 정해지기 전까지, 이 원소는 IUPAC의 잠정적인 계통적 원소 명명법에 따라 우누누늄(unununium)이라 불렸는데, 이는 1에 해당하는 라틴어 un을 3번 반복한 다음 접미어 ‘ium’을 붙여 만든 것이다. 원소기호는 Uuu 또는 단순히 ‘111’로 적었다. GSI 팀이 111번 원소 발견자로 인정된 후, IUPAC은 그들에게 원소 이름을 제안해 줄 것을 요청하였는데, 그들은 1895년에 X-선을 발견하고, 1901년에 첫 번째 노벨 물리학상을 수상한 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845~1923)의 이름을 따서 뢴트게늄(roentgenium)으로, 그리고 원소 기호는 Rg로 할 것을 제안하였다. 이 제안은 IUPAC에 의해 2004년 11월1일에 승인되었다. 참고로 뢴트겐은 영어로는 Roentgen으로 적는데, 원소명에는 이것이 사용되었다.
111번 원소는 2004년 11월 1일에 뢴트게늄(roentgenium, 원소기호 Rg)이라는 공식 이름을 갖게 되었는데, 뢴트겐에 의한 X-선 발견 111주년이 되는 2006년 11월 17일에 GSI에서 열린 명명식에서 독일 교육과학부 장관(좌)과 연구진을 이끈 호프만(우, Sigurd Hofmann, 1944~)이 주기율표상의 이 원소 자리에 공식 이름표를 달아주는 모습을 찍은 사진(Rg를 넣은 주기율표는 이미 사용되고 있었다).
금에서 미량의 천연 뢴트게늄을 발견했다는 주장
이스라엘 히브리대학(Hebrew University of Jerusalem)의 물리학 교수 마리노브(Amnon Marinov, 1930~2011) 팀은 2010년에 천연 금 시료에서 천연 뢴트게늄 동위원소 두 가지 261Rg와 265Rg를 검출하였다고 주장하였다. 그는 천연 뢴트게늄이 존재한다면, 이는 같은 족의 금에 함께 들어있을 것이며, 원자량이 금보다 크기 때문에 금보다 느리게 증발할 것이라는 가정에서 99.999% 순도의 금을 진공 하에서 금의 녹는점보다 63℃가 더 높은 1127℃로 가열하고 증발시켜 뢴트게늄이 잔류물에 남아 농축되도록 하였다. 2주 후, 남아있는 잔류물을 질량분석으로 조사하였더니 질량수 261 부근에서 여러 피크들이 관찰되었는데, 그 중 하나는 여하한 원소들의 조합으로도 해석할 수 없었다.
2010년에 이스라엘 히브리대학의 마리노브(Amnon Marinov) 교수가 99.999% 순도의 금을 원래 양의 3x10-6로 농축시킨 후 얻은 질량수 261 부근의 질량 스펙트럼. <출처: A. Marinov et al., “Enrichment of the Superheavy Element Rg in Natural Au”, arxiv.org/abs/1011.6510>
그는 이를 수명이 긴 천연 뢴트겐 동위원소 261Rg의 핵 이성질체로 간주하였으며, 또한 수명이 긴 핵 이성질체 265Rg도 검출하였다고 발표하였다. 만일 그의 주장이 옳다면, 이들 천연 뢴트게늄 동위원소의 반감기는 1억년 이상이 되어야 한다. 마리노브는 이보다 앞서 2008년에는 천연 토륨(Th)에서 원자번호 122번의 천연 동위원소를 발견하였다는 비슷한 주장을 하였고, 1971년에는 텅스텐(W) 표적에 스트론튬(Sr) 이온을 충돌시켜 반감기 45일인 원자번호 112번 원자 500개를 만들었다고 주장하기도 하였다. 그러나, 이들 마리노브의 주장들은 아직 재현되지 않았으며, 대부분의 과학자들은 이들에 대해 아주 회의적이다.
물리 및 화학적 성질
뢴트게늄 동위원소들은 한번에 단지 원자 몇 개만 얻어지고 반감기도 아주 짧기 때문에, 이의 밀도, 녹는점, 끓는점 등의 성질들이 실험적으로 조사되지 않았으며, 앞으로도 조사될 가능성이 거의 없다. 그러나 몇 가지 성질들이 이론적 계산 등으로 예측되었는데, 실온에서 은색 고체이며, 결정은 같은 족의 다른 원소(구리, 은, 금)들이 면심입방(fcc) 구조를 갖는 것과는 대조적으로, 체심입방(bcc) 구조를 할 것으로 예측되었다. 밀도는 약 28.7 g/cm3, 원자 반경은 약 138 pm가 될 것으로 예측되었다. 뢴트게늄 원자의 바닥상태 전자배치는 [Rn]5f146d97s2로 계산되는데, 이는 같은 족 원소인 구리, 은, 금의 최외각 전자배치 nd10(n+1)s1와 다르고 이들 원소들의 첫 번째 들뜬 상태의 전자배치 nd9(n+1)s2와 유사하다. 이는 상대론적 효과로 인해 원자번호가 클수록 최외각 s전자가 짝을 짓는 경향이 커지기 때문으로 설명된다.
뢴트게늄의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
뢴트게늄은 주기율표에서 바로 위에 있는 금처럼 귀금속이고 화학적 성질도 금과 비슷할 것으로 예상된다. 또한 다른 11족 원소들처럼, +5, +3, +1, -1인 산화상태의 화합물을 만들 수 있을 것으로 예상되는데, +3의 상태가 가장 안정하며, +1의 상태는 보다 덜 안정할 것으로 예측된다. 뢴트게늄의 +5가 상태는 금의 +5가 상태보다 더 안정한 반면, +1가 상태는 금의 +1가 상태보다 덜 안정하여 얻기가 어려울 것으로 예측되었다. 플루오르화 착이온의 안정성은 RgF6->RgF4->RgF2- 순서가 될 것으로 계산되었다.
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 알려진 뢴트게늄의 동위원소는 질량수가 272, 274, 278~282인 7가지이다. 이중 272Rg만 핵 융합 반응으로 합성되며, 다른 동위원소들은 원자번호 113, 115, 117번 원소들의 α 붕괴 사슬에서 관찰된다. 수명이 가장 긴 동위원소는 반감기가 26초인 281Rg이며, 280Rg(반감기 3.6초), 282Rg(반감기 0.5초), 279Rg(반감기 0.17초)는 반감기가 0.1초보다 길고, 나머지 3가지 동위원소의 반감기는 0.01초보다 짧다. 아직 발견되지 않은 283Rg는 반감기가 이론적 계산에서 10분으로 예측되었다. 281Rg을 제외한 모든 동위원소들은 α 붕괴를 하고 마이트너륨(Mt) 동위원소가 되는데, 281Rg는 약 10%만이 α 붕괴를 하여 277Mt가 되고 나머지 약 90%는 자발적 핵분열을 한다.
뢴트게늄의 합성
7가지 뢴트게늄 동위원소 중에서 272Rg만 핵 융합 합성 반응으로 얻어질 수 있으며, 다른 것들은 원자번호 113, 115, 117번 원소들의 α 붕괴 사슬에서 검출된다.
핵융합 합성
272Rg가 합성된 핵 융합 반응은 두 가지가 알려져 있는데, 그 중 하나는 209Bi 표적에 가속된 64Ni 이온을 충돌시키는 것이고, 다른 하나는 208Pb 표적에 가속된 65Cu 이온을 충돌시키는 것이다.
위의 첫 번째 반응은 1986년에 러시아의 합동핵연구소(JINR)에서 처음 시도하였으나, 그 때에는 뢴트게늄을 검출하지 못하였다. 그 후, 1994년에 독일 중이온 가속기연구소(GSI) 연구진이 이 반응을 다시 수행하여 272Rg 원자 3개를 검출하고 이의 α 붕괴 사슬을 확인하였는데, 이것이 뢴트게늄의 최초 발견으로 인정받고 있으며, 이들은 2002년에 원자 3개를 추가로 합성하였다. 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구팀도 2003년에 이 반응으로 272Rg 원자 14개의 α 붕괴 사슬을 관찰하고 GSI 팀의 발견을 검증∙확인하였다. 두 번째 반응은 2004년에 미국의 로렌스버클리 국립연구소(LBL) 연구진이 수행하였는데, 272Rg 원자 1개의 붕괴 사슬을 관찰하여 GSI 팀의 뢴트게늄 발견 사실을 뒷받침하였다.
2005년도에 작성된 주기율표. 이 때는111번 원소 뢴트게늄(Rg)이 마지막 원소로 들어가 있는데, 지금은 보통 118번 원소 우눈옥튬(Uuo)까지가 주기율표에 들어가 있다. <출처 : IUPAC>
보다 원자번호가 큰 원소의 붕괴 생성물로 관찰
272Rg를 제외한 나머지 6가지 동위원소(질량수 274, 278~282)들은 원자번호 113번인 우눈트륨(ununtrium, Uut)의 α 붕괴 생성물로 검출된다. 272Rg로 전환될 수 있는 276Uut는 아직 발견되지 않았다. 한편, 원자번호 115번의 우눈펜튬(ununpentium, Uup)과 117번인 우눈셉튬(ununseptium, Uus)이 각각 1번과 2번의 α 붕괴를 하면 Uut가 생성되므로, 뢴트게늄은 Uup와 Uus의 α 붕괴 사슬에서도 관찰된다. 다만 그렇게 되기 위해서는 해당되는 Uup 동위원소와 Uus 동위원소가 존재하여야 하는데, Uup에서 얻어지는 뢴트게늄의 동위원소는 279Rg, 280Rg, 281Rg, 282Rg이며, Uus에서 얻어지는 뢴트게늄의 동위원소는 281Rg와 282Rg이다. 293Uus에서 281Rg로 전환되는 α 붕괴 사슬을 예로 들어 보이면 다음과 같다.
- 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 뢴트게늄
- 뢴트게늄은 원자번호 111번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d97s2([Rn]5f146d97s2)로 계산된다. 질량수가 272, 274, 278~282인 7가지 동위원소가 알려져 있는데, 272Rg만 핵 융합 반응으로 합성될 수 있고, 다른 것들은 원자번호 113, 115, 117번 원소들의 α 붕괴 사슬에서 관찰된다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 281Rg(반감기 26초)이고, 다음으로 긴 것은 280Rg(반감기 3.6 초)이며, 나머지 것들은 반감기가 0.002~0.5초이다. 미발견된 283Rg의 반감기가10분으로 예측되고 있다. 결정은 체심입방(bcc) 구조를 하고, 밀도는 28.7 g/cm3이며, 원자 반경은 약 138 pm 일 것으로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 1022.7, 2074.4, 3077.9 kJ/mol로 예측되었다. 화합물에서 안정한 산화상태는 +5, +3, +1. -1이고, 이중에서 +3의 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다
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Roentgenium
Roentgenium is named for Wilhelm Conrad Ro"ntgen, who discovered x-rays. His element is highly radioactive, but disappointingly it does not, despite its name, emit x-rays when it decays. Scroll down to see examples of Roentgenium. | ||||||||||||||||
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