원자번호 115번 원소 우눈펜튬(ununpentium, Uup)은 주기율표에서 7주기 15족(질소족, 5A족)에 속하는 원소인데, 2003년 말에 러시아와 미국의 공동 연구진이 처음으로 합성·발견하였다고 보고하였다. 이것이 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)과 국제순수·응용물리연맹(IUPAP)이 적용하는 새로운 원소 발견의 인정 기준을 완전히 충족시키는 것은 아니어서 아직 공식적으로 인정되지는 않고 있는데, 2013년 여름에 스웨덴 과학자들이 주축이 된 공동 연구진이 이 원소에 대한 보다 확정적 실험 결과를 내어놓아 가까운 장래에 새로운 원소로 인정될 전망이 크다. 아직 공식적으로 새로운 원소로 인정되지 않아, 원자번호에 따른 잠정적 이름, ‘우눈펜튬’이 사용되고 있다. 질량수가 287~290인 4가지 동위원소들이 알려져 있는데, 가장 수명이 긴 것의 반감기가 0.22초이다. 화합물에서는 다른 15족 원소처럼 +3과 +5의 산화상태를 가질 것이며, +1의 상태도 가능할 것으로 여겨진다. 우눈펜튬에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 115번, 우눈펜튬
우눈펜튬(ununpentium)1)은 원자번호 115번의 원소로, 아직 정식 이름은 없고 원자번호에 따른 IUPAC의 잠정적 원소 이름과 기호(Uup)가 사용된다. 주기율표에서 p-구역(바닥 상태에서 가장 높은 에너지 상태의 전자가 p전자인 원소들이 있는 구역) 원소의 하나이며, 7주기 15족(질소족, 5A족) 원소이다. 15족 원소로는 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi)도 있는데, 우눈펜튬은 비스무트 바로 아래에 있으므로 에카-비스무트(eka-bismuth)라 부를 수 있다.
- 수치로 보는 우눈펜튬
- 우눈펜튬은 원자번호 115번의 원소로, 이의 발견이 아직 공식적으로 인정되지는 않았다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s27p3 ([Rn]5f146d107s27p3)로 예측된다. 질량수가 287~290인 4가지 동위원소가 알려져 있는데, 287Uup과 288Uup는 243Am과 48Ca 간의 핵 융합 반응으로 합성되고, 289Uup와 290Uup는 117번 원소 우눈셉튬(Uus)의 α 붕괴 생성물로 관찰되었다. 289Uup는 243Am/48Ca의 핵 융합 반응에서도 검출되었다. 가장 수명이 긴 동위원소는 289Uup인데, 이의 반감기는 0.22초이다. 밀도는 약 13.5 g/cm3, 원자 반경은 약 187 pm로 예측되었다. 녹는점과 끓는점은 각각 400℃와 약 1100℃로, 녹음열과 증발열은 각각 약 5.9 kJ/mol과 138 kJ/mol로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 538.4, 1756, 2653 kJ/mol로 예측되었다. 가장 안정한 산화상태는 +3이며, +1과 +5의 산화상태도 가능할 것이 예상된다.
우눈펜튬, 아직은 발견이 공인되지 않은 원소이다. |
우눈펜튬의 원소정보 |
우눈펜튬의 합성은 2003년에 러시아의 합동핵연구소(JINR)와 미국의 로렌스리버모어 국립연구소(LLNL)의 공동 연구진이 처음 보고하였는데, 이들은 러시아 두브나(Dubna)에 위치한 JINR의 중이온 가속기를 이용하여 아메리슘-243(243Am) 표적에 칼슘-48(48Ca) 이온을 충돌시켜 우눈펜튬 원자 4개를 얻었으며, 이들 원자는 생성 후 약 0.1초안에 α 붕괴를 하고 원자번호 113번 우눈트륨(Uut)이 된다고 보고하였다. 그러나 이 주장을 지지하는 독립적인 확증이 없어 우눈펜튬이 새로운 원소로 공식 인정되지 않았는데, 최근에 두 국제 공동 연구팀들이 두브나 팀의 주장에 부합되는 이 원소의 존재와 이의 α 붕괴 사슬을 확인하여 가까운 장래에 공식적으로 새로운 원소로 인정될 전망이다. 현재까지 질량수가 287~290인 4가지 동위원소들이 검출되었는데, 질량수 287, 288, 289인 동위원소들은 핵 융합 반응으로, 질량수 289, 290인 동위원소들은 117번 원소 우눈셉튬(Uus)의 α 붕괴 생성물로 발견하였다고 보고되었다. 수명이 가장 긴 동위원소는 반감기가 0.22초인 289Uup이다. 우눈펜튬의 성질은 방사성 붕괴 특성 이외에는 아직 측정되지 않았는데, 이론적 계산으로 녹는점은 약 400℃, 끓는점은 약 1100℃로 예측되었다. 밀도는 13.5 g/cm3로, 원자반경은 187 pm로 예측되었다. 가장 안정한 산화상태는 +3이고, +1과 +5의 상태도 가능할 것으로 예측된다.
지금까지 검출된 원자의 수가 약 50개에 불과하고 수명도 아주 짧아, 다른 초페르뮴 원소(원자번호 100번 이후의 원소)들과 마찬가지로 실용적 용도는 없다. 그러나 이의 발견은 보다 긴 수명의 초중(超重, superheavy) 원소들의 집합인 ‘안정성의 섬’(네이버캐스트 플레로븀 참조)을 확인하고 이들 원소들을 합성하는데 기여할 것이며, 이의 합성과 검출에 사용된 기술들은 다른 분야에도 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
우눈펜튬의 발견과 역사
우눈펜튬은 2003년에 러시아 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(Flerov Laboratory of Nuclear Reactions. FLNR)에서 오가네시안(Yuri Organessian)이 이끈 JINR과 미국 로렌스리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)의 과학자들로 구성된 공동 연구진에 의해 처음으로 합성·검출되었다. 그들은 아메리슘-243(243Am) 표적에 248 MeV 에너지의 칼슘-48(48Ca) 이온 빔을 쪼여 동위원소 288Uup 원자 3개를, 그리고 253 MeV 에너지의 48Ca 이온 빔을 쪼여 287Uup 원자 1개를 생성시키고, 이들의 α 붕괴 생성물인 113번 원소 284Uut와 283Uut를 검출하였다. 이 결과는 2004년 2월 1일자 학술지(Physical Review C)에 게재되었다.
115번 원소 우눈펜튬이 합성되고, 이것이 113번 우눈트륨으로 붕괴되는 반응을 나타낸 모형 <출처: LLNL>
두브나 연구팀은 우눈펜튬과 우눈트륨을 발견했다는 이러한 자신들의 주장을 뒷받침하기 위해 2004년 7월과 2005년 12월에 추가적인 실험을 수행하였는데, 288Uup가 연속적으로 5번의 α 붕괴를 일으켜 생성된 긴 수명(약 30시간)의 더브늄 동위원소 268Db(원자번호 105)를 분리하고, 이의 자발적 핵분열 특성을 확인하였다. 또 268Db로 여겨지는 붕괴 생성물을 화학적 방법으로 +4와 +5가 부분으로 분리하여 자발적 핵분열 여부를 조사하였는데, +5가 이온을 모은 부분에서만 자발적 핵분열이 일어나는 것을 확인함으로써 이것이 5족 원소인 더브늄이 분명하다는 증거로 제시하였다. 더브늄의 확인은 이의 모핵인 우눈펜튬의 존재를 확인하는 것이 된다.
두브나 연구팀은 이들 연구 결과를 새로운 원소 발견의 주장을 검증하는 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)과 국제순수·응용물리연맹(IUPAP)이 공동으로 구성한 합동실무위원회(JWP)에 제출하였는데, 2011년에 합동실무위원회는 115번과 이의 딸 핵 종인 113번 원소를 발견했다는 이들의 주장을 인정하기에는 그 증거가 충분치 않다고 결론지었다. 그 이유는 생성된 원자의 수가 적고, 붕괴 생성물들의 알려진 핵 종과의 연관성이 결여되어 있으며, 교차-충격(cross-bombardment: 다른 반응으로 방사성 핵 종을 생성시켜 그 핵 종을 확인하는 방법)의 증거가 없다는 것이었다. 참고로, IUPAC/IUPAP은 새로운 원소 발견을 인정하기 위한 조건으로 독립적인 확증을 요구하고 있다.
두브나 팀의 우눈펜튬 발견에 대한 보다 확실한 증거로 여겨지는 결과가 아주 최근에 두 곳에서 제시되었다. 그 중 하나는 미국 밴더빌트(Vanderbilt) 대학 해밀턴(J. H. Hamilton) 교수와 JINR 연구진이 주축이 된 미국과 러시아 공동 연구진이 2012년 6월에 발표한 것으로, 이들은 243Am과 48Ca 사이의 핵 융합 반응을 다시 시도하여 28개 288Uup와 4개 289Uup의 붕괴 사슬을 검출하였으며, 289Uup 붕괴는 249Bk와 48Ca의 반응에서 생성된 우눈셉튬-293(293Uus)의 α 붕괴 생성물의 붕괴와 같다는 교차-충격의 증거를 제시하였다. 또 다른 하나는 스웨덴의 룬드(Lund) 대학 루돌프(Dirk Rudolph) 교수가 이끄는 국제 연구진이 2013년 8~9월에 발표한 것으로, 이들은 243Am와 48Ca 사이의 핵 융합 반응을 독일 중이온 가속기연구소(GSI)에서 수행하여 30개 원자의 α 붕괴 사슬을 검출하였으며, 두브나 팀이 관찰한 우눈펜튬에서 시작하는 α 붕괴 사슬이 재확인되었다고 발표하였다. 만약 이들 연구 결과가 인정된다면, 두브나 팀의 우눈펜튬 발견은 가까운 장래에 공식적으로 인정될 가능성이 크다. 또한 우눈펜튬의 α 붕괴 생성물로 관찰했다고 처음 보고된 113번 원소 우눈트륨의 발견도 115번 원소와 거의 동시에 공식적으로 인정될 것으로 전망되는데, 두브나의 JINR/LLNL 공동 연구팀과 일본 RIKEN 연구팀 중 어떤 팀을 어떤 이유를 들어 최초의 발견자(아니면 공동 발견자)로 인정할 것인지를 예측하기는 어렵다.
우눈펜튬의 생성과 이의 붕괴 단계를 보여주는 그림. (1) 사이클로트론에서 가속된 48Ca 이온이 243Am 표적을 향하고 있다. (2) 가속된 48Ca가 243Am 표적에 충돌하는 순간 융합된 핵이 만들어진다. (3) 핵 융합으로 생성된 우눈펜튬이 α 입자를 방출하고 붕괴되기 시작한다. (4) 붕괴 생성물이 자발적으로 핵 분열을 하여 2개의 원자로 쪼개진다. <출처: LLNL>
원소 이름
115번 원소는 아직 원소 발견이 공식적으로 인정되지 않아 정식 이름은 없고, 원자번호를 바탕으로 하는 IUPAC의 계통적 원소 이름 명명법(네이버캐스트 우눈트륨 참조)에 따른 잠정적 이름 우눈펜튬(원소기호는 Uup)이 사용된다. 그러나 많은 과학자들은 단순히 115번 원소라 부르고, 원소 기호도 ‘115’라 적기도 한다. 원소 발견이 공식적으로 인정되면, 발견자가 제안하는 이름을 바탕으로 정식 이름이 정해질 것인데, 이는 아마도 1~2년 내에 있을 것으로 전망된다.
물리 및 화학적 성질
우눈펜튬은 지금까지 검출된 원자를 모두 합쳐도 50개 정도에 불과하며, 반감기도 아주 짧기 때문에 성질들이 실험적으로는 조사되지 않았다. 이론적 계산과 15족 원소들의 주기에 따른 성질의 변화를 고려하여 녹는점은 400℃, 끓는점은 약 1100℃, 그리고 고체 상태 밀도는 13.5 g/cm3, 원자 반경은 187 pm로 예상되었다. 참고로 주기율표에서 바로 위에 있는 비스무트(Bi, 원자번호83)는 녹는점과 끓는점이 각각 271.5℃와 1564℃이고, 밀도는 9.80 g/cm3이다.
우눈펜튬은 바닥 상태에서의 최외각 전자 배치가 ns2np3인 15족 원소 중 가장 무거운 원소로, 최외각 전자배치는 7s27p3이다. 상대론적 효과로 7s2 전자는 매우 안정화되어 주된 산화상태는 +3일 것으로 예측되는데, +1과 +5의 상태도 가능할 것으로 예상된다. 산소족 원소와 Uup2X3(X=O, S, Se, Te)형 화합물을, 수소와 삼수소화물(UupH3)을, 그리고 할로겐 원소와 삼할로겐화물(UupX3: X=F, Cl, Br, I)을 만들 수 있을 것으로 예상된다. +5가 상태 화합물로는 UupF5가 가능할 것으로 예상된다.
우눈펜튬의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 질량수가 287~290인 4 가지 우눈펜튬 동위원소들이 검출되었다고 보고되었는데, 287Uup와 288Uup는 243Am 표적에 가속된 48Ca 이온을 충돌시키는 핵 융합 반응으로 합성되었고, 289Uup와 290Uup는 각각 293Uus와 294Uus의 α 붕괴 생성물로 관찰되었다. 289Uup는 243Am/48Ca 핵 융합 반응에서도 검출되었다. 반감기가 287Uup는 32 ms(1ms=0.001초), 288Uup는 87 ms, 289Uup는 220 ms, 그리고 290Uup는 16 ms로 보고되었는데, 불확실성이 크다. 아직 발견되지 않은 299Uup는 중성자 수가 마법의 수(핵의 양성자나 중성자가 채워진 껍질 구조로 배열되는 수: 네이버캐스트 플레로븀 참조)인 184로, 아마도 가장 안정한 동위원소일 것으로 예측된다. 모든 동위원소들은 α 붕괴를 하고 우눈트륨(Uut) 동위원소가 된다.
우눈펜튬의 합성
독일 GSI에서 우눈펜튬을 합성하는데 사용된 표적 바퀴. 아메리슘-243 박막으로 이루어진 표적의 일부분이 칼슘-48 이온에 의한 충격으로 떨어져 나간 것을 볼 수 있다. < 출처 : G. Otto/GSI>
지금까지 우눈펜튬의 합성이 성공한 핵 융합 반응은 243Am 표적에 48Ca을 충돌시켜 질량수가 287에서 289인 동위원소를 얻은 것이 유일하다. 이 반응은 악티늄 원소를 표적으로 사용하는 핫퓨전 반응의 하나인데, 일반적으로 핫퓨전 반응에서는 약 40~50 MeV의 들뜬 상태 에너지를 갖는 융합된 핵이 생성되나, 48Ca를 충돌 이온으로 사용하는 경우는 보다 낮은 약 30~35 MeV의 에너지를 갖는 핵이 생성되므로 비교적 반응 수율이 높다. 이 때문에 핫퓨전 반응으로 초중원소를 합성할 때는 충돌이온으로 48Ca가 널리 사용된다.
이 반응은 2003년 7~8월에 러시아 두브나(Dubna)에서 JINR/LLNL 공동 연구진이 처음 수행하였는데, 두 번의 실험에서 x=3에 해당하는 288Uup 원자 3개와 x=4에 해당하는 287Uup 원자 1개를 검출하였다. 이후 국제 공동 연구진이 두브나에서 충돌이온의 에너지를 달리해서 수행한 일련의 실험에서 288Uup 원자 28개와 289Uup 원자 4개를 추가로 검출하였다. 그리고 스웨덴의 룬드(Lund) 대학 과학자들을 포함한 국제 공동 연구진은 독일 GSI에서 수행한 3주간의 실험에서 30개 Uup 원자의 α 붕괴 사슬을 검출하여 두브나 팀의 연구 결과를 검증하였다.
스웨덴 연구진이 독일 GSI에서 우눈펜튬을 분리∙검출하는데 사용한 초중원소 검출에 아주 효율적인 초악티늄 분리기 및 화학장치(TransActinide Separator and Chemistry Apparatus, TASCA). <출처: GSI>
한편, 우눈펜튬을 다른 방법으로 합성하고자 하는 시도도 있었는데, 예로 원자번호 92번인 238U 표적(사용된 것은 238UF4)에 원자번호 23번인 51V 이온을 충돌시켜 합성하려는 시도가 2004년에 독일 GSI에서 있었으나, 성공하지 못하였다.
289Uup와 290Uup는 249Bk 표적에 48Ca 이온을 충돌시켜 얻은 117번 원소 우눈셉튬 동위원소 293Uus와 294Uus의 α 붕괴 생성물로 검출하였다고 2009년에 보고되었으나, 우눈셉튬의 합성이 아직 공식적으로 인정되지 않은 상태이다.
- 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 우눈펜튬
- 우눈펜튬은 원자번호 115번의 원소로, 이의 발견이 아직 공식적으로 인정되지는 않았다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s27p3 ([Rn]5f146d107s27p3)로 예측된다. 질량수가 287~290인 4가지 동위원소가 알려져 있는데, 287Uup과 288Uup는 243Am과 48Ca 간의 핵 융합 반응으로 합성되고, 289Uup와 290Uup는 117번 원소 우눈셉튬(Uus)의 α 붕괴 생성물로 관찰되었다. 289Uup는 243Am/48Ca의 핵 융합 반응에서도 검출되었다. 가장 수명이 긴 동위원소는 289Uup인데, 이의 반감기는 0.22초이다. 밀도는 약 13.5 g/cm3, 원자 반경은 약 187 pm로 예측되었다. 녹는점과 끓는점은 각각 400℃와 약 1100℃로, 녹음열과 증발열은 각각 약 5.9 kJ/mol과 138 kJ/mol로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 538.4, 1756, 2653 kJ/mol로 예측되었다. 가장 안정한 산화상태는 +3이며, +1과 +5의 산화상태도 가능할 것이 예상된다.
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Ununpentium
Ununpentium 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 Ununpentium | ||||||||||||||||
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