원자번호 116번 원소 리버모륨(livermorium, Lv)은 주기율표에서 7주기 16족에 있는 원소이다. 러시아 합동핵연구소(JINR)와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 공동 연구진이 러시아 두브나(Dubna)에서 합성·발견한 원자번호 113~118의 6가지 초중(超重, superheavy)원소 중의 하나이다. 2000년에 핵 융합 반응으로 처음 합성·발견되었으며, 2011년에 114번 원소 플레로븀과 함께 새로운 원소로 공식 인정되었다. 원소 이름은 로렌스 리버모어 국립연구소의 리버모어(Livermore)를 따서 지었는데, 2012년 5월 30일에 공식적으로 채택되었다. 리버모륨은 현재로는 정식 이름이 정해진 맨 나중 원소이다. 4가지 동위원소가 알려져 있는데, 수명이 가장 긴 것의 반감기가 약 0.06초(60 ms)에 불과하다. 리버모륨에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 116번, 리버모륨
리버모륨(livermorium)1)은 원자번호 116번의 초중(超重) 인공 원소로, 원소 기호는 Lv이다. 정식 이름이 정해지기 전에는 우눈헥슘(ununhexium, Uuh)이라 불렸다. 주기율표에서 7주기의 16족(산소족)에 위치하며, 7p계열의 네 번째 원소이다. 16족 원소로는 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te), 폴로늄(Po)도 있는데, 폴로늄 바로 아래에 있으므로 에카-폴로늄(eka-polonium)이라 부를 수 있다. 지금까지 수십 개의 원자만 검출되었고 또 반감기가 아주 짧아 물리 및 화학적 성질이 실험적으로 조사되지는 않았으나, 금속 성질을 가지며 +2가 산화상태가 가장 안정하고, -2, +4, +6의 산화상태를 갖는 화합물들도 만들 수 있을 것으로 여겨진다.
- 수치로 보는 리버모륨
- 리버모륨은 원자번호 116번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s27p4 ([Rn]5f146d107s27p4)로 예상된다. 2000년 7월 19일에 처음 합성되었고, 2011년 6월에 새로운 원소로 공식 인정되었으며, 2012년 5월 30일에 정식 이름이 채택되었다. 질량수가 290~293인 4가지 동위원소가 알려져 있는데, 모두 핵 융합 반응으로 합성될 수 있고, 290Lv는 294Uuo의 α 붕괴 생성물로도 검출된다. 동위원소들의 반감기는 대략 293Lv은 약 61 ms, 292Lv와 291Lv은 약 18 ms, 그리고 290Lv은 약 7 ms 이다. 녹는점과 끓는점은 각각 360~510℃와 760~860℃범위에 있을 것으로 추정되며, 고체 밀도는 12.9 g/cm3, 원자 반경은 약 183 pm로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 723.6, 1332, 2846 kJ/mol로 예측되었다. 화합물에서는 +2의 산화상태가 가장 안정하며, -2, +4, +6의 산화 상태도 가능할 것으로 예상된다.
미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 ‘리버모어’를 딴 이름의 원소 <출처 : LLNL> |
리버모륨의 원소정보 |
리버모륨은 2000년 7월에 러시아 합동핵연구소(JINR)에서 JINR과 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 공동 연구진이 퀴륨-248(248Cm) 표적에 가속된 칼슘-48(48Ca) 이온 빔을 쪼여 292Lv(뒤에 293Lv로 재해석) 원자 1개를 검출함으로써 처음으로 발견되었다. 이후 같은 반응에서 여러 개의 292Lv와 293Lv 원자들이 검출되었으며, 248Cm대신 245Cm을 사용한 반응에서는 291Lv와 290Lv가 검출되었다. 리버모륨은 같은 연구팀에 의해 합성·발견된 114번 원소 플레로븀과 함께 2011년 6월에 새로운 원소로 공식 인정되었고, 2012년 5월 30일에 공식 이름이 정해졌다. 앞서 언급된 질량수 290~293인 동위원소들이 현재 알려진 동위원소의 모두인데, 가장 수명이 긴 동위원소는 반감기가 약 0.06초인 293Lv이다.
리버모륨의 발견과 역사
리버모륨을 합성하려는 시도는 1976년부터 있었는데, 수 차례의 실패를 거쳐 2000년에 마침내 성공하였다. 그 사이에 실험 데이터를 조작하여 합성에 성공하였다는 발표도 있었다.
여러 차례의 합성 시도
116번 원소 리버모륨의 합성을 처음 시도한 팀은 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 휴렛(Erwin Kenneth Hulet, 1926~2010: 멘델레븀(Md)-258을 발견하였고 시보귬(Sg)의 공동 발견자임)이 이끄는 LLNL과 로렌스 버클리 국립연구소(LBL), 그리고 독일의 중이온 가속기 연구소(GSI) 연구진이었다. 그들은 1977년에 퀴륨-248(248Cm) 표적에 칼슘-48(48Ca) 이온을 충돌시켜 이 원소를 합성하려고 하였으나, 원소 검출에 실패하였다. 1년 후인 1978년에는 러시아의 플레로프 핵반응연구소(FLNR)에서 248Cm/246Cm 혼합물 표적에 48Ca 이온을 충돌시키는 실험을 수행하였고, 독일 GSI에서는 납-208(208Pb)에 셀레늄-82(82Se) 이온을 충돌시키는 실험을 수행하였으나, 모두 리버모륨 검출에 실패하였다. 1984년에는 LBL과 GSI 공동 연구진이 248Cm과 48Ca 간의 반응을 두 차례 더 시도하였으나, 이 역시 리버모륨 검출에는 실패하였다.
데이터 조작으로 밝혀진 합성 발표 논문
1998년 후반에 LBL에서 방문 연구 중이었던 한 폴란드 이론 물리학자(Robert Smolańczuk)는 납(Pb, 원자번호 82) 표적에 낮은 에너지의 크립톤(Kr, 원자번호 36) 이온 빔을 쪼이면 원자번호 118번인 우눈옥튬(Uuo)이 만들어지며, 이의 α 붕괴로 리버모륨을 얻는 것이 가능할 것이라고 예언하였다. 이 예언에 따라, LBL 연구자들은 1999년에 208Pb 표적에 449 MeV 86Kr 이온을 쪼이는 실험을 수행하였는데, 그들은 이 반응에서 293Uuo에서 출발하여 289Lv를 거쳐 269Sg에 이르는 α 붕괴 사슬을 검출함으로써 새로운 원소 우눈옥튬과 리버모륨을 발견하였다고 물리학계의 권위있는 학술지(Physical Review Letters)에 발표하였다. 사이언스(Science)지는 ‘이 연구팀의 성공은 그들이 사용한 방법이 원자번호 119번 이후의 원소들의 합성에도 적용될 수 있음을 시사한다’는 해설과 함께 이들의 발표 내용을 소개하였다. 이들이 검출했다고 주장한 핵 융합 반응과 293Uuo의 붕괴 사슬은 다음과 같다.
그러나 이 논문의 내용은 LBL 자체 연구진이나, 독일 GSI와 일본 RIKEN 연구진이 재현 할 수 없었으며, 결국 LBL은 2001년 7월 27일에 해당 논문을 철회한다고 발표하였다. 그리고 2002년 7월에 LBL 소장은 이 논문이 주저자인 니노브(Victor Ninov)의 조작한 데이터에 근거한 것이라고 발표하였다. 293Uuo와 289Lv는 아직도 발견되지 않았다.
성공적인 합성과 검증
1989년에 시작된 러시아 합동핵연구소(JINR)와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 사이의 협동 연구는 원자번호 113번에서118번까지의 6가지 새로운 원소를 발견하는 성과를 올렸다. 이들 새로운 원소들은 JINR 산하 플레로프 핵반응연구소(FLNR)에 설치된 중이온 원형가속기(cyclotron) U-400를 사용하여 한 순간에 원자 하나씩 만들어졌다. <출처 : LLNL>
리버모륨은 2000년 7월 19일에 러시아 두브나(Dubna)에서 러시아 JINR과 미국 LLNL의 협동 연구의 결과로 처음 합성·발견되었다. 이 연구를 주도한 사람들은 JINR의 오가네시안(Yuri Organessian)과 유쳔코프(Vladimir Utyonkov), LLNL의 무디(Kenton J. Moody)였다. 그들은 LLNL에서 제공한 퀴륨-248(248Cm) 표적에 가속된 칼슘-48(48Ca) 이온을 충돌시켜 수명이 47 ms로 10.54 MeV α 입자를 방출하면서 붕괴하는 원자 1개를 검출하고는 이를 292Lv로, 그리고 이의 딸 핵종을 288Fl로 해석하였다. 이 결과는 2000년 12월에 학술지(Phys. Rev. C)에 발표되었는데, 이때에는 1999년에 LBL에서 발표한 리버모륨 발견 논문이 조작된 것으로 밝혀지기 전이라, 연구자들은 새로운 원소 발견은 아니고 새로운 동위원소 발견으로 여겼다. 2001년 4-5월에 수행한 두 번째 실험에서 원자 2개를 추가로 검출하였고, 2004년에는 보다 높은 에너지의 48Ca을 사용한 반응에서 292Lv로 해석되는 원자 1개의 붕괴 사슬을 검출하였으며, 이를 바탕으로 292Lv로 해석했던 것을 293Lv로 재해석하였다.
이들은 표적을 248Cm대신에 245Cm로 바꾼 실험도 수행하였는데, 2003년 3-5월에 수행한 실험에서 수명이 0.1초이고 10.1 MeV α 입자를 방출하고 붕괴하는 290Lv 원자 6개의 붕괴 사슬과 수명이 61ms이고 10.76 MeV α 입자를 방출하고 붕괴하는 291Lv 원자 1개의 붕괴 사슬을 검출하였다. 291Lv의 중간 붕괴 생성물인 283Cn은 생성 후 13초에 9.6 MeV α 입자를 방출하고 279Ds, 275Hs, 271Sg를 거쳐 최종적으로 자발적 핵분열을 하는 267Rf로 붕괴되는 것이 관찰되었는데, 여기서 관찰된 283Cn 이후의 붕괴 사슬 특성은 이미 다른 방법으로 만들어져 조사된 것과 아주 잘 일치하였다. 이 실험은 2005년 초에 반복 수행되었는데, 위의 결과와 일치하는 10개의 원자와 이의 붕괴 사슬을 검출하였다.
서로 독립적으로 얻어진 283Cn을 포함하는 3가지 α 붕괴 사슬. 맨 왼쪽 것이 두브나 팀이 관찰한 116번 원소에서 출발하는 것인데, 283Cn 이후의 붕괴 특성이 다른 2개와 서로 잘 일치(중간 생성물들의 수명은 특성상 다를 수 있다)함을 보임으로써 283Cn의 모핵인 291Lv와 287Fl의 존재와 발견이 확인되었다. 그림에는 Lv와 Fl가 각각 이들의 원자번호인 116과 114로 표시되어 있다. <출처 IUPAC>
원자번호 113번 이후 원소들의 발견 주장을 검증하기 위해 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)과 국제순수∙응용물리연맹(IUPAP)이 공동으로 구성한 합동실무위원회(Joint Working Party, JWP)는 JINR에서 수행된 이들 연구 결과를 검토한 끝에, 2009년 5월에 112번 원소 코페르니슘(Cn)에 대한 보고서를 내 놓으면서 291Lv 붕괴 사슬의 중간 생성물인 283Cn의 발견을 인정함으로써 리버모륨의 발견도 사실상 인정하였는데, 리버모륨 발견에 대한 공식적인 인정은 114번 원소 플레로븀과 함께 2011년 6월 1일에 이루어졌다.
리버모륨 발견에 대한 공식적인 인정은 114번 원소 플레로븀과 함께 2011년 6월 1일에 이루어졌다. 사진은 리버모륨과 플레로븀의 원자번호와 기호로 장식된 케이크 <출처 : LLNL>
원소 이름 명명
리버모륨은 정식 명칭이 정해지기 전에는 멘델레예프식 명명 방식에 따라 에카-폴로늄(eka-polonium), 혹은 IUPAC의 잠정적 계통적 원소 명명법에 따라 우눈헥슘(ununhexium, 원소 기호 Uuh)이라 불리어졌다. 그러나 많은 과학자들은 이를 무시하고 단순히 ‘116번 원소’라 부르고, 원소 기호는 ‘116’로 표기하였다.
두브나의 JINR/LLNL 공동 연구진에 의한 116번 원소 발견이 공식적으로 인정된 후, JINR 측은 은근히 116번 원소 이름을 두브나가 속한 러시아 모스코바(Moscow) 주의 이름을 따서 모스코븀(moscovium)으로 할 것을 바랐으나, IUPAC은 원소 이름을 이 원소 발견의 공동 연구 기관인 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 리버모어(Livermore)를 따서 리버모륨(livermorium)으로, 그리고 원소기호는 Lv로 하기로 2012년 5월 31일에 최종 결정하였다. 리버모어(Livermore)는 LLNL이 위치한 캘리포니아주 샌프란시스코만 동쪽 언저리에 있는 도시인데, 1840년대에 이 지역에 정착한 목장 주인 리버모어(Robert Livermore)의 이름을 따서 도시 이름이 지어졌다고 한다.
2013년 6월 24일에 미국 캘리포니아주 리버모어(Livermore)시가 이 도시 이름에서 연유한 리버모륨(livermorium)을 기리기 위한 행사를 열었다. 사진은 행사에 참가한 리버모륨 발견자(러시아 과학자 포함)들이 리버모륨 전자배치를 배경으로 찍은 것. <출처 : LLNL>
물리 및 화학적 성질
리버모륨은 지금까지 검출된 원자의 수가 극히 적고 반감기도 아주 짧아 물리 및 화학적 성질이 실험적으로 조사되지는 않았다. 주기율표에서 16족에 속하며, 최외각 전자로 4개의 7p전자를 갖고 있고, 폴로늄(Po) 바로 아래에 있다. 폴로늄처럼 금속 성질을 가질 것이 예상되며, 녹는점과 끓는점은 각각 360~510℃와 760~860℃범위에 있을 것으로 추정되었다. 참고로 폴로늄의 녹는점과 끓는점은 각각 254℃와 962℃이다. 고체 상태 밀도는 12.9 g/cm3로, 원자 반경은 183 pm로 추정되었다.
16족 원소들은 모두 -2의 산화 상태를 가질 수 있고, 산소를 제외하고는 모두 +2, +4, +6의 산화 상태도 가질 수 있다. 주기율표에서 아래로 갈수록 높은 산화 상태가 덜 안정하므로, 리버모륨은 +2의 산화 상태가 가장 안정할 것으로 예상된다. 산화물은 LvO가 가장 안정하나, LvO2와 LvO3도 가능할 것으로 예상된다. 할로겐과는 이할로겐화물(LvX2)을 만들며, 플루오린의 경우는 LvF4와 LvF6도 가능할 것으로 짐작된다.
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 알려진 리버모륨의 동위원소는 질량수가 290~293인 4가지이며, 핵 이성질체는 아직 알려진 것이 없다. 290Lv와 291Lv은 245Cm과 48Ca의 핵 융합 반응에서, 그리고 292Lv와 293Lv은 248Cm과 48Ca의 핵 융합 반응에서 검출되었다. 290Lv은 또한 118번 원소인 우눈옥튬 294Uuo의 α 붕괴 생성물로 검출하였다고 보고되었다. 리버모륨 동위원소들의 반감기는 모두 0.1초(100 ms)보다 짧은데, 293Lv은 약 61 ms, 292Lv와 291Lv은 약 18 ms, 그리고 290Lv은 약 7 ms로 보고되었으나, 이들 수치는 적은 수의 원자들의 수명에서 계산된 것이기 때문에 불확실성이 크다. 모든 동위원소들은 α 붕괴를 하고 플레로븀(Fl) 동위원소가 된다.
리버모륨의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
리버모륨의 합성
알려진 4가지 리버모륨 동위원소들은 모두 핵 융합 반응으로 합성될 수 있으며, 290Lv는 118번 원소인 우눈옥튬 동위원소 294Uuo의 α 붕괴 생성물로도 관찰되었다.
핵 융합반응에 의한 합성
리버모륨은 퀴륨 동위원소 248Cm 또는 245Cm을 표적으로 사용하고 48Ca을 충돌이온으로 하는 핵 융합반응에서 합성되었는데, 248Cm 을 사용한 경우에는 292Lv와 293Lv가, 245Cm을 사용한 반응에서는 290Lv와 291Lv가 검출되었다.
위의 첫 번째 반응은 1977년에 미국 LLNL에서, 1978년에 러시아 FLNR에서, 그리고 1984년에 독일 GSI에서 시도되었는데, 그때는 모두 리버모륨 검출에 실패하였다. 그러다가 JINR/LLNL 공동 연구진이 2000년에 러시아 JINR에서 수행한 실험에서 처음으로 292Lv(뒤에 293Lv로 수정) 원자 1개를 검출하였고, 2001년의 재실험에서 추가로 원자 2개를 검출하였다. 보다 높은 에너지의 48Ca를 사용한 2004년 실험에서는 292Lv 원자 1개의 붕괴 사슬을 검출하고, 이를 바탕으로 하여 이전에 해석한 292Lv를 293Lv로 수정하였다. 2010년의 GSI 실험에서는 292Lv 원자 4개와 293Lv 원자 2개를 검출하였다.
위의 두 번째 반응은 2003년에 두브나에서 JINR/LLNR 공동 연구진이 수행하여 290LV와 291Lv를 검출하였고, 2005년의 재실험에서 이들 동위원소 원자 10개를 검출하고, 이들의 붕괴 사슬을 확인하였다.
이전에 여러 곳에서 수 차례 시도하였으나 리버모륨 검출에 실패한 위의 첫 번째 반응을 다시 시도하여 결국 성공하였다는 사실은 핵 융합 합성에서는 반응물(표적 물질과 충돌이온)과 반응 조건도 중요하지만, 생성물을 분리하고 검출·확인하는 기술도 아주 중요함을 보여준다. 이러한 점은 다른 화학 합성 반응에서도 마찬가지이다. 이 때문에 화학 반응을 통해 어떤 원하는 물질을 합성할 때, 원래의 반응 물질을 변하지 않은 채로 모두 회수한 경우가 아니라면, ‘생성물이 생기지 않았다’고 말하기 보다는, ‘생성물을 분리·확인할 수 없었다’라고 말하는 것이 정확한 표현이며 바른 자세이다.
위의 핵반응처럼 퀴륨을 표적으로 사용하는 반응은 소위 말하는 핫퓨전 반응(악티늄족 원소를 표적으로 사용함)인데, 다른 여러 핫퓨전 반응들이 리버모륨 합성에 이용될 수 있을 것으로 제시되었다. 이들의 표적과 충돌이온 쌍은 232Th/58Fe, 238U/54Cr(GSI에서 2006년에 시도되었으나 실패함), 244Pu/50Ti, 232Th/58Fe, 246Cm/48Ca, 249Cf/40Ar 등이다.
핫퓨전이 아닌, 납(Pb)을 표적을 사용하는 콜드퓨전 반응도 시도되었는데, 1998년에 GSI 연구팀은 208Pb에 82Se 이온을 충돌시키는 반응을 시도하였으나 리버모륨 검출에 성공하지 못하였다.
우눈옥튬(Uuo)의 α 붕괴 생성물로 관찰
290Lv는 118번 원소인 우눈옥튬 294Uuo의 α 붕괴 생성물로도 관찰된다. 294Uuo는 현재 알려진 유일한 우눈옥튬 동위원소로, 2002년에 캘리포늄-249(249Cf)에 48Ca 이온을 충돌시켜 처음 합성되었다.
위 반응에서의 290Lv 검출은 결국 294Uuo가 합성되었다는 증거가 되나, 아직 독립적인 검증이 없어 우눈옥튬이 새로운 원소로는 공식 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.
- 저자의 책 보러가기인물정보 더보기
주석
- 1수치로 보는 리버모륨
- 리버모륨은 원자번호 116번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s27p4 ([Rn]5f146d107s27p4)로 예상된다. 2000년 7월 19일에 처음 합성되었고, 2011년 6월에 새로운 원소로 공식 인정되었으며, 2012년 5월 30일에 정식 이름이 채택되었다. 질량수가 290~293인 4가지 동위원소가 알려져 있는데, 모두 핵 융합 반응으로 합성될 수 있고, 290Lv는 294Uuo의 α 붕괴 생성물로도 검출된다. 동위원소들의 반감기는 대략 293Lv은 약 61 ms, 292Lv와 291Lv은 약 18 ms, 그리고 290Lv은 약 7 ms 이다. 녹는점과 끓는점은 각각 360~510℃와 760~860℃범위에 있을 것으로 추정되며, 고체 밀도는 12.9 g/cm3, 원자 반경은 약 183 pm로 예측되었다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 723.6, 1332, 2846 kJ/mol로 예측되었다. 화합물에서는 +2의 산화상태가 가장 안정하며, -2, +4, +6의 산화 상태도 가능할 것으로 예상된다.
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Ununhexium
Ununhexium 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 Ununhexium. | ||||||||||||||||
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