원자번호 112번 원소 코페르니슘(copernicium, Cn)은 20 번째 초우라늄 인공 원소이다. 1996년 2월 9일에 독일 중이온 가속기연구소(GSI) 연구진이 검출하고 확인한 것이 이 원소의 처음 합성이자 발견으로, 독일 연구진이 1981년 107번 보륨(Bh)의 발견으로 시작한 새로운 원소 발견의 여정 중에서 가장 나중에 얻은 성과이다. 이후의 원소 발견의 업적은 다시 미국과 러시아로 회귀하게 된다. 원소 이름은 지동설을 주장하는 책을 발간하여 과학 혁명의 기틀을 마련한 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 이름을 따서 지었다. 몇 가지 성질들이 이론적 계산으로 예측되었는데, 다른 12족 원소(아연, 카드뮴, 수은)와는 성질이 상당히 다르고 휘발성이 아주 큰 금속으로 실온 1기압에서 기체일 가능성도 있다. 코페르니슘에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 112번, 코페르니슘
코페르니슘(copernicium)1)은 원자번호 112번의 원소로, 원소 기호는 Cn이다. 주기율표에서는 7주기 12족에 위치하며, 마지막 6d 전이금속 원소이다. 12족 원소로는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 수은(Hg)도 있는데, 수은 바로 아래에 있으므로 에카-수은(eka-mercury)이라 부를 수 있다.
- 수치로 보는 코페르니슘
- 코레르니슘은 원자번호 112번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s2([Rn]5f146d107s2)로 계산되는데, 6d전자가 7s전자에 비해 에너지가 더 높아 먼저 이온화된다. 질량수가 277, 281~285인 6가지 동위원소가 알려져 있는데, 277Cn, 282Cn, 283Cn은 핵 융합 반응으로 합성될 수 있으며, 277Cn을 제외한 동위원소들은 원자번호 114번 플레로븀(Fl) 동위원소들의 α 붕괴로 검출된다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 285Cn(반감기 약 29초)이며, 다음으로 긴 것은 283Cn(반감기 5 초)이고, 다른 동위원소들의 반감기는 0.1초 이내이다. 아직 미검증된 핵 이성질체 283mCn과 285mCn의 반감기가 각각 5분과 8.9분으로 보고되었다. 밀도는 23.7 g/cm3, 그리고 원자 반경은 약 147 pm로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 1154.9, 2170, 3165 kJ/mol로 예측된다. 주된 산화상태는 +4이며, 수용액에서 +4와 +2의 산화상태를 가질 것이 예상된다. 실온 1기압에서 기체 상태로 존재할 가능성이 있다.
지동설을 주장한 코페르니쿠스의 이름을 딴 원소 |
코페르니슘의 원소정보 |
코페르니슘은 1996년 2월 9일에 독일 중이온 가속기연구소(Gesellschaft fűr Schwerionenforschung, GSI) 연구팀이 납-208(208Pb)에 가속된 아연-70(70Zn) 이온을 충돌시켜 277Cn 원자 1개를 검출하고 확인함으로써 처음 발견되었다. 질량수가 277, 281~285의 6가지의 동위원소가 알려져 있는데, 수명이 가장 긴 것은 반감기가 29초인 285Cn이나, 아직 검증되지 않은 핵 이성질체 285mCn가 이보다 긴 8.9분의 반감기를 갖는 것으로 보고되었다. 277Cn, 282Cn, 283Cn은 핵 융합 반응으로 합성될 수 있으며, 277Cn를 제외한 나머지 동위원소들은 원자번호114번인 플레로븀(Fl)의 α 붕괴 생성물로 관찰된다.
코페르니슘의 발견과 역사
1970년대 초부터 112번 원소를 합성하려는 시도가 있었으나(아래 참조), 공식적으로 인정된 최초의 합성은 독일 다름슈타트(Darmstadt)에 있는 중이온 가속기연구소(GSI)의 호프만(Sigurd Hofmann, 1944~)이 이끄는 연구진에 의해 1996년 2월 9일에 이루어졌다. 호프만 팀은 중이온 가속기를 사용하여 납-208(208Pb) 표적에 가속된 아연-70(70Zn)을 충돌시킨 2주간의 실험에서 원자 1개를 검출하였으며, 이 원자에서 시작되는 일련의 α 붕괴 사슬을 관찰함으로써 이 동위원소가 277Cn임을 확인하였다.
호프만 팀은 당초에는 원자 2개의 α 붕괴 사슬을 검출하였다고 보고하였으나, 원자 하나의 사슬은 2000년의 재검 과정에서 철회하였으며, 2000년 5월에 같은 반응을 반복하여 다시 277Cn 원자 한 개를 검출하였다. 한편 러시아 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 연구진은 285Cn과 284Cn을 각각 114번 원소 플레로븀(Fl)의 동위원소 289Fl과 288Fl의 α 붕괴 생성물로 1999년과 2002년에 처음 관찰하였다. 이후 여러 연구팀에서 238U 표적에 가속된 48Ca 이온을 충돌시켜 282Cn과 283Cn을 합성·확인하였으며, 2010년에는 285Fl의 α 붕괴 생성물로 281Cn이 검출되었다.
코페르니슘을 발견한 과학자들이 112번 원소의 α 붕괴 사슬이 인쇄된 배너를 들고 포즈를 취한 모습. 앞줄 왼쪽에서 2번째가 호프만(S. Hofmann) 박사이고 그의 바로 오른쪽이 아름브루스터(P. Armbruster) 교수이다. 붕괴 사슬에는 각 핵종의 수명과 방출되는 α 입자의 에너지를 나타내었으며, 발견 날짜와 시각(1996년 2월 9일, 22시 07분)이 적혀있다. <출처 : GSI>
원자번호 110번 이후 원소들의 발견에 대한 주장을 검증하기 위해 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)과 국제순수·응용물리연맹(IUPAP)는 1998년에 공동으로 합동실무위원회(Joint Working Party, JWP)를 구성하였는데, 이 위원회는 GSI팀이 1996년에 얻은 277Cn의 데이터를 검토한 2001년과 2003년의 보고서에서 두 번 모두 GSI의 112번 원소 발견의 주장은 이를 뒷받침하는 증거가 충분치 않다는 결론을 내렸다. 이의 주된 이유의 하나는 277Cn의 α 붕괴 사슬의 중간 생성물인 261Rf의 수명과 이에서 방출되는 α 입자의 에너지가 종전에 보고된 것과 상당히 차이가 난다는 것이었다. 이에 따라 GSI팀은 2001~2005년에 277Cn의 손녀 핵 종인 269Hs를 퀴륨-248(248Cm) 표적에 마그네슘-26(26Mg) 이온을 충돌시키는 방법으로 얻은 후 269Hs에서 출발하는 붕괴 사슬 데이터를 얻고, 이를 277Cn에서 출발하는 데이터와 비교·확인하였다. 그 결과, 차이가 났던 기존의 261Rf 붕괴 데이터는 261Rf 자체의 것이 아니라 이의 핵 이성질체(지금의 표기로 261mRf)에 대한 것임을 보였다. 또한 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구진은 2004년에 GSI가 수행한 것과 같은 반응을 통해 277Cn 원자 2 개를 검출하고 GSI 팀이 보고한 α 붕괴 사슬 데이터를 재현시켜 확인하였다. 이에 따라 합동실무위원회(JWP)는 마침내 2009년 5월에 GSI 팀의 112번 원소 발견을 공식 인정하게 되었다.
코페르니슘 발견은 독일 중이온가속기연구소의 연구진이 1981년에 원자번호 107번 보륨(Bh)의 발견으로 시작한 새로운 원소 발견의 여정 중에서 가장 나중에 얻은 성과이다. 참고로, 코페르니슘 이후인 113번부터 현재로선 마지막 원소인 118번까지의 원소(이중 4개는 공식적으로 인정되지는 않고 있음)들은 주로 러시아와 미국 연구진의 공동 연구로 발견되었다.
원소 이름 명명
원소 발견이 공식적으로 인정되기 전까지 112번 원소는 IUPAC의 잠정적 계통적 원소 명명법에 따라 우눈븀(ununbium)이라 불렸는데, 이는 1, 1, 2에 해당하는 라틴어 un, un, bi 다음에 접미어 ‘ium’을 붙여(bi의 i는 중복을 피해 생략) 만든 것이다. 원소 기호는 Uub 또는 단순히 ‘112’으로 표기하였다.
GSI팀이 112번 원소 발견자로 공식 인정됨에 따라, IUPAC은 GSI 팀에게 원소 이름과 원소기호를 제안해 줄 것을 요청하였으며, GSI는 2009년 7월에 원소 이름은 1543년에 지동설을 주장한 책을 저술하여 16~18세기 과학 혁명의 기틀을 마련한 폴란드 천문학자 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus, 1473~1543)의 이름을 따서 코페르니슘(copernicium)으로, 그리고 원소기호는 Cp로 제안하였다. 그러나, 몇 주 후에 IUPAC은 Cp는 원자번호 71번 루테튬(Lutetium, Lu)의 종전 이름인 카시오페이움(cassiopeium)의 기호로 사용된 적이 있고 또 유기화학에서 사이클로펜타다이에닐(cyclopentadienyl)의 약어로 사용되므로, 원소 기호로 Cp를 허용할 수 없다고 GSI에 통보하였다. 이에 GSI는 원소기호를 ‘Cp’에서 ‘Cn’로 변경하여 제안하였다. 이들 제안된 원소 이름과 기호는 코페르니쿠스 탄생 537년이 되는 2010년 2월 19일에 공식적으로 채택되었다.
2009년에 제작된 원소의 주기율표. 112번 원소 코페르니슘을 Cp로 표기하였는데, IUPAC이 2010년 2월 19일에 Cn으로 공식 결정함으로써 잘못된 것이 되었다.
112번 원소 합성에 대한 1971년의 마리노브의 주장
112번 원소를 합성하려는 최초의 시도는 1971년에 있었는데, 이를 시도한 인물은 스위스에 있는 유럽원자핵공동연구소(CERN; Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire; European Organization for Nuclear Research: 우리나라에서 유럽입자물리학연구소로도 불림)의 연구원 마리노브(Amnon Marinov, 1930~2011: 뒤에 이스라엘 히브리대학 물리학 교수가 됨)이다. 마리노브와 동료 연구자들은 112번 원소를 합성하기 위해 원자번호 74번인 텅스텐(W)-184과 186으로 이루어진 표적에 원자번호 38번인 스트론튬(Sr)-86과 88 이온을 충돌시켰는데, 표적과 충돌이온의 핵을 변형시켜 쉽게 융합될 수 있도록 표적에 24 GeV 양성자를 쪼였다. 그는 이 실험에서 반감기가 45일로 자발적 핵분열을 하는 생성물을 검출하였으며, 이의 핵분열 생성물들의 특성을 조사하여, 모핵의 원자번호가 112이고 질량수는 272인 것으로 계산된다고 결론을 내렸다. 그는 112번 원소 발견의 주장을 네이처(Nature) 등의 저명 학술지와 학술회의에서 발표하였으며, 1980년대에는 자신의 주장을 검증하도록 IUPAC에 제출하였다. 또한 1990년에는 독일 GSI 연구진과 공동으로 1971년에서와 유사한 실험을 수행하여, 자발적 핵분열을 하는 생성물을 검출하고 이를 질량수가 272 또는 271인 112번 원소에 의한 것으로 해석하였다. 그러나 IUPAC/IUPAP이 공동으로 구성한 초페르뮴 특별소위원회(TWG)와 합동실무위원회(JWP)는 이러한 주장을 면밀히 검토한 끝에 이를 확인하기 위해서는 매우 많은 추가적 실험이 필요하다는 결론을 내렸으며, GSI 팀과 마리노브도 이에 수긍하였다.
참고로, 마리노브는 2008년에는 천연 토륨에서 원자번호 122번 원소를, 그리고 2010년에는 금에서 원자번호 111번인 뢴트게늄(Rg)의 천연 동위원소를 발견했다고 주장하기도 하였으나, 이들 주장들이 확신할 수 있는 수준으로 재현되거나 검증된 적이 없어 대부분의 과학적들은 이에 대해 극히 회의적이고 원소 발견을 취급하는 문헌에서는 언급되지 않는다. 이와 같이 실험을 통해 과학적 발견을 하였다고 주장하고 심사를 통과하여 학술지에 보고된 내용마저도 후속적인 연구에서 타당한 것으로 검증되지 않아 그 주장이 학계에서 인정되지 않거나 부정되는 경우는 허다하다.
물리 및 화학적 성질
112번 원소의 공식 이름과 원소 기호의 결정을 알리는 IUPAC의 공식저널 ‘Chemistry International’의 2010년 2호 표지.
코페르니슘은 지금까지 검출된 원자 수를 다 합쳐도 100개를 넘지 않고 반감기도 아주 짧기 때문에, 물리∙화학적 성질들이 실험적으로는 거의 조사되지 않았다. 그러나, GSI를 비롯한 다국적 연구진이 283Cn(반감기 4초) 원자 2개를 사용한 화학적 실험을 실제로 수행하여 2007년에 보고하였는데, 코페르니슘은 아주 휘발성이 크며, 수은과 마찬가지로 금 표면에 잘 흡착됨을 보였다. 표준 온도와 압력에서 기체로 존재할 가능성이 있는데, 원자번호 114번 플레로븀(Fl)도 기체상태 금속일 가능성이 있다. 몇 가지 성질들이 이론적 계산 등으로 예측되었는데, 밀도는 약 23.7g/cm3으로, 원자반경은 약 147 pm로 예측되었다.
코페르니슘은 같은12족 원소인 아연, 카드뮴, 수은과는 화학적 성질이 상당히 다를 것으로 예상되는데, 이는 최외각 전자 껍질의 에너지 차이 때문이다. 12족 원소의 바닥상태 최외각 전자배치는 nd10(n+1)s2인데, 코페르니슘은 상대론적 효과에 의해, 다른 12족 원소들과는 달리, 최외각의 s(7s) 전자의 에너지가 d(6d) 전자의 에너지보다 낮은 것으로 계산된다. 따라서 코페르니슘은 Cn+와 Cn2+ 이온에서는 7s전자 대신 6d전자가 방출되어 부분적으로 채워진 6d 부 껍질을 가질 것으로 예측되며, 이런 점에서 코페르니슘은 전이금속임이 분명하다. 참고로, IUPAC은 전이금속을 ‘원자가 완전히 채워지지 않은 d 부껍질을 갖거나 완전히 채워지지 않은 d 부껍질을 갖는 양이온이 될 수 있는 원소’로 정의한다. 코페르니슘은 수용액에서 안정한 +2와 +4의 산화상태를 가지며, +4 산화상태가 보다 안정할 것이 예상된다. 다른 12족 원소들은 주로 최외각 s전자가 방출되어 만들어지는 +2의 산화상태를 갖는데, 최외각 d전자 부껍질은 채워져 있어 이들 원소는 IUPAC 정의로는 전이금속이 아니다. 다만 수은은 아주 극한적인 조건에서 +4의 산화상태를 갖는데, HgF4가 알려진 유일한 화합물이다. 그리고 코페르니슘은 다른 12족 원소들보다는 중성 상태에서 산화되기가 어려울 것으로 예상된다.
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 알려진 코페르니슘의 동위원소는 질량수가 277, 281~285인 6가지이다. 핵 이성질체로는 283mCn과 285mCn의 2 가지를 검출하였다는 보고가 있었으나, 아직 완전히 검증된 것은 아니다. 277Cn, 282Cn, 283Cn, 그리고 미검증된 283mCn은 핵 융합 반응으로 합성되어 발견되었으며, 다른 것들은 원자번호 114번인 플레로븀(Fl) 동위원소의 α 붕괴 생성물로 관찰되었다. 다른 초중원소들에서와 마찬가지로, 반감기는 대체로 질량수가 클수록 긴데, 알려진 동위원소 중에서 수명이 가장 긴 것은 285Cn(반감기 29 초)이고, 아직 미검증된 핵 이성질체 283mCn과 285mCn의 반감기가 각각 5분과 8.9분으로 보고되었다. 다른 동위원소들의 반감기는 0.1초보다 짧다. 277Cn, 281Cn, 285Cn와 285mCn은 주로 α 붕괴를 하고 다름슈타튬(Ds) 동위원소가 되는 반면, 282Cn, 283mCn, 284Cn은 주로 자발적 핵분열을 한다. 그리고 283Cn는 90%가 α 붕괴를 하고, 10%는 자발적 핵분열을 하는 것으로 알려져 있다.
코페르니슘의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
코페르니슘의 합성
알려진 6가지 코페르니슘의 동위원소 중에서 277Cn, 282Cn, 283Cn은 핵 융합 반응으로 합성될 수 있으며, 277Cn을 제외한 5가지 동위원소들은 원자번호 114번 원소인 플레로븀(Fl) 동위원소의 α 붕괴 생성물로 관찰된다.
핵 융합 합성
277Cn은 208Pb 표적에 70Zn 이온을 충돌시키는 콜드퓨전 방법으로 합성된다.
이 핵융합 합성 반응은 1996년에 GSI 연구진이 수행하여 처음에는 277Cn 원자 2개의 붕괴를 검출하였다고 발표하였다가 2000년의 검출 데이터 재검 과정에서 원자 1개의 검출을 철회한 후 같은 해의 반복 실험으로 다시 원자 1개를 추가적으로 검출한 반응으로, 코페르니슘이 처음 합성된 반응이다. 2004년에 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구진은 이 반응을 통해 277Cn 원자 2 개를 검출하고, GSI 팀이 밝혀낸 α 붕괴 사슬 데이터가 타당함을 확인하였다.
코페르니슘을 합성한 또 다른 핵융합 반응은 1999년에 러시아의 합동핵연구소(JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(FLNR) 연구팀이 처음 수행한 것으로, 238U에 48Ca 이온을 충돌시키는 핫퓨전 방법이다. 이 연구팀은 반감기 5분으로 자발적 핵분열을 하는 283Cn 원자 2개를 검출하였다고 보고하였다. 이후 여러 연구팀에서 이 반응을 반복하였는데, 이 반응에서 282Cn과 283Cn이 만들어지며, 282Cn은 반감기가 0.8 ms로 자발적 핵분열을 하고, 283Cn은 반감기가 5초로 90%가 α 붕괴를 하고, 10%는 자발적 핵분열을 하는 것이 거의 확실시 되고 있다. 따라서 이 핵 반응은 다음과 같이 적을 수 있다.
FLNR 팀이 1999년에 이 반응에서 검출하였다고 보고한 반감기 5분으로 자발적 핵 분열을 하는 생성물의 검출은 이후 재현되지 않았는데, 이 생성물은 아마도 283Cn의 핵 이성질체 283mCn일 것으로 여겨지며, 이의 생성 수율은 반응 및 검출 조건에 따라 달라지리라 예상되고 있다.
이외에도, 코페르니슘을 합성하고자 하는 시도가 여럿 있었다. 예로, GSI 연구진은 208Pb 표적에 70Zn 이온을 충돌시켜 277Cn 원자를 합성한 반응에서 70Zn 대신에 68Zn을 충돌 이온으로 사용하여 275Cn을 얻고자 시도하였으나 성공하지 못하였다. 또한 앞서 기술하였듯이 GSI와 마리노브의 협동 연구진은 184W 표적에 88Sr 이온을 충돌시키는 실험을 수행하여 자발적 핵분열과 12.5 MeV α 입자를 방출하면서 붕괴하는 생성물을 검출하고, 이를 272Cn 또는 271Cn에 의한 것으로 해석하였으나, 이는 아직 검증되지 않았다.
보다 무거운 원소의 붕괴 생성물로 얻는 경우
코페르니슘은 원자번호 114번 플레로븀(Fl)의 α 붕괴 생성물로 검출된다. 알려진 플레로븀(Fl) 동위원소들은 질량수가 285~289인 5가지인데, 이들은 모두 α 붕괴(286Fl 경우는 40%가 α 붕괴, 60%가 자발적 핵분열을 함)를 하고 질량수가 281~285인 코페르니슘 동위원소들로 전환된다. 그리고 질량수가 290~293인 원자번호 116번 리버모륨(Lv) 동위원소들은 α 붕괴를 하고 질량수 286~289인 플레로븀 동위원소가 되므로, 이들에서도 질량수가 282~285인 코페르니슘 동위원소가 생성되며, 원자번호 118번인 우눈옥튬(Uuo) 동위원소 294Uuo도 3번의 연속적인 α 붕괴로 282Cn으로 전환된다. 294Uuo에서 282Cn으로 되는 붕괴 사슬을 예로 들어 보이면 다음과 같다.
282Cn과 284Cn은 자발적 핵분열을 하므로, 이들이 중간 생성물인 α 붕괴 사슬은 원자번호 110번인 다름슈타튬(Ds)까지 이어지지 않는다. 그러나 다른 코페르니슘 동위원소들은 α 붕괴(277Cn, 281Cn, 285Cn은 거의 대부분, 283Cn은 90% 확률로 α 붕괴)를 하고 다름슈타튬이 되므로, 이들이 중간 생성물인 α 붕괴 사슬은 다름슈타튬과 이 이후로도 이어진다.
코페르니슘이 주기율표에 공식적으로 기재된 것을 기념하기 위해 2010년 7월 12일에 열린 독일 GSI의 기념식에서 이 원소를 발견한 국제 연구팀의 팀장 호프만(Sigurd Hofmann) 박사가 원소기호 상자 옆에 서서 축하객들과 인사를 나누는 모습. <출처 : GSI>
- 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 코페르니슘
- 코레르니슘은 원자번호 112번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s2([Rn]5f146d107s2)로 계산되는데, 6d전자가 7s전자에 비해 에너지가 더 높아 먼저 이온화된다. 질량수가 277, 281~285인 6가지 동위원소가 알려져 있는데, 277Cn, 282Cn, 283Cn은 핵 융합 반응으로 합성될 수 있으며, 277Cn을 제외한 동위원소들은 원자번호 114번 플레로븀(Fl) 동위원소들의 α 붕괴로 검출된다. 반감기가 가장 긴 동위원소는 285Cn(반감기 약 29초)이며, 다음으로 긴 것은 283Cn(반감기 5 초)이고, 다른 동위원소들의 반감기는 0.1초 이내이다. 아직 미검증된 핵 이성질체 283mCn과 285mCn의 반감기가 각각 5분과 8.9분으로 보고되었다. 밀도는 23.7 g/cm3, 그리고 원자 반경은 약 147 pm로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 1154.9, 2170, 3165 kJ/mol로 예측된다. 주된 산화상태는 +4이며, 수용액에서 +4와 +2의 산화상태를 가질 것이 예상된다. 실온 1기압에서 기체 상태로 존재할 가능성이 있다.
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Copernicium
Ununbium is a placeholder assigned until the element has been given a final name. Its discovery has been reliably claimed, but remains to be independently verified before a name is officially assigned. Scroll down to see examples of Copernicium. | ||||||||||||||||
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