원자번호 118번 원소 우눈옥튬(ununoctium, Uuo)은 러시아 두브나(Dubna)에서 러시아 합동핵연구소(JINR)와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 공동 연구진이 합성·발견한 원자번호 113~118의 6가지 초중(超重, superheavy)원소 중의 하나로, 2002년에 합성·발견하였다고 보고하였으나, 아직 발견이 공식적으로 인정되지 않아 원자번호에 기초한 잠정적 이름으로 부른다. 지금까지 질량수 294인 동위원소 원자 3 또는 4개만 검출되었는데, 이의 반감기는 약 0.89 ms(0.00089초)이다. 7주기 마지막 원소이고, 지금까지 발견된 원소 중 가장 원자번호가 크다. 비활성 기체족에 속하나, 실온 1기압에서 고체일 가능성이 있고, 화학 반응성은 비교적 클 것이 예상된다. 우눈옥튬의 발견과 예상되는 성질 등에 대해 알아보기로 하자.
원자번호 118번, 우눈옥튬
우눈옥튬(ununoctium)1)은 원자번호 118번의 원소로, 주기율표에서 7주기 18족(비활성 기체족, 0족)에 있는 p계열 원소이며, 7 주기의 마지막 원소이다. 지금까지 발견된 원소 중에서 원자번호와 질량수가 가장 크다. 18족 원소로는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn)도 있는데, 라돈 바로 아래에 있으므로 에카-라돈(eka-radon)이라 부르기도 하였다. 지금까지 원자 3 또는 4개만 검출되었고 또 반감기가 아주 짧아 물리 및 화학적 성질이 실험적으로 조사되지는 않았으나, 비금속 원소이고 실온 1기압에서 고체로 존재할 가능성도 있을 것으로 예상된다. 다른 무거운 비활성 기체 원소들과 마찬가지로, 화합물을 만들 수 있으며, +2와 +4 산화상태의 플루오린(F) 화합물은 안정할 것으로 예상된다.
- 수치로 보는 우눈옥튬
- 우눈옥튬은 원자번호 118번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s27p6 ([Rn]5f146d107s27p6)로 예상된다. 2002년에 처음 합성∙발견되었는데, 아직 새로운 원소로 공식 인정되지는 않고 있다. 294Uuo가 알려진 유일한 동위원소이며, 지금까지 3 개 또는 4개의 원자가 검출되었을 뿐이고, 반감기는 약 0.89 ms이다. 끓는점은 50~110℃ 범위에 있을 것으로 예측되었으며, 고체 밀도는 13.65 g/cm3, 원자 반경은 약 152 pm일 것으로 예측되었다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 839.4 kJ/mol와 1563.1 kJ/mol로 예측되었다. 산화상태가 각각 +2와 +4인 플루오린 화합물 UuoF2와 UuoF4가 화학적으로 안정하게 존재할 수 있을 것으로 예상된다.
지금까지 검출된 원소 중에서 원자번호가 가장 큰 원소. |
우눈옥튬의 원소정보 |
우눈옥튬은 2002년 3월에 러시아 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint institute for Nuclear Research, JINR)에서 JINR과 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)의 공동 연구진이 캘리포늄-249(249Cf) 표적에 가속된 칼슘-48(48Ca) 이온 빔을 쪼여 동위원소 294Uuo 원자 2개를 검출하고, 이중 하나의 α 붕괴를 관찰함으로써 처음 발견하였고, 이후 2005년에도 같은 반응에서 294Uuo원자 2개를 추가로 검출하였다고 보고하였다. 그러나 이들의 우눈옥튬 발견 주장은 아직 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)에 의해 공식적으로 받아들여지지 않고 있다. 294Uuo는 지금까지 발견된 유일한 우눈옥튬 동위원소이며, 이의 반감기는 약 0.89 ms이다.
우눈옥튬의 발견과 역사
우눈옥튬(Uuo)의 합성은 미국 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL)에서 처음 시도되었다. 1998년에 LBL에서 방문 연구 중이었던 폴란드 이론 물리학자(Robert Smolańczuk)는 납(Pb, 원자번호 82) 표적에 크립톤(Kr, 원자번호 36) 이온 빔을 쪼이면 118번 원소 우눈옥튬(Uuo)의 합성이 가능하다는 것을 이론적 계산으로 보여주는 논문을 발표하였다(논문 제출일은 1998년 9월이며, 발간일은 1999년 5월). 이에 근거하여 LBL 연구진은 208Pb 표적에 449 MeV 86Kr 이온을 충돌시키는 실험을 수행하였는데, 그들은 이 실험에서 293Uuo 원자 3개를 합성·발견하고, 이들 원자가 연속적으로 6번의 α 붕괴를 일으켜 269Sg(원자번호 106번 시보귬)까지 이르는 붕괴 사슬을 검출하였으며, 또 붕괴 사슬의 중간 생성물로 116번 원소(리버모륨, Lv)를 처음 발견하였다고 물리학계의 저명 학술지(Physical Review Letters) 1999년 9월 9일자 호에 발표하였다. 그러나 이 논문의 내용을 LBL 자체 연구진이나, 독일 GSI와 일본 RIKEN 연구진이 재현할 수 없었으며, 결국 LBL은 2001년 7월 27일에 해당 논문을 철회한다고 발표하였고, 그로부터 1년 후인 2002년 7월에 LBL 소장은 이 논문이 주저자인 불가리아 출신 연구원 니노브(Victor Ninov)가 조작한 데이터에 근거한 것이라고 발표하였다(네이버캐스트 리버모륨 참조).
1999년 미국 로렌스버클리 국립연구소(LBL) 연구진이 우눈옥튬을 합성하였다고 발표한 논문에 보인 크립톤-86 이온과 납-208 표적 사이의 핵 반응. 그러나 이 논문은 주저자인 니노브(Victor Ninov)의 실험 데이터 조작에서 얻은 결과로 판정되어 2001년 7월에 철회되었으며, 이 반응으로 우눈옥튬 합성에 성공한 경우는 아직 없다.
208Pb와 86Kr간의 핵 융합 반응은 이론적으로는 가능한 것으로 여겨지나, 아직도 이 반응을 통한 우눈옥튬의 생성·검출은 실현되지 않았다. 참고로, 니노브는 독일 중이온 가속기연구소(GSI)에서 110번 원소 다름슈타튬(Ds)과 111번 원소 뢴트게늄(Rg)의 발견에도 관여한 인물인데, 여기서도 원 데이터의 변조가 일부 발견되었으나 반복 실험을 수행한 결과 원소 발견 사실 자체에는 변화가 없어 GSI 팀은 여전히 이들 원소들의 최초 발견자로 인정되고 있다.
우눈옥튬의 실제 합성·발견은 2002년 3월에 러시아 두브나(Dubna)에서 JINR의 오가네시안(Yuri Organessian)이 이끄는 러시아 JINR과 미국 LLNL의 협동 연구진이 처음 달성한 것으로 여겨진다. 이들 팀은 JINR 산하 플레로프 핵반응 연구소(FLNR)에서 U400 중이온 원형가속기(cyclotron)와 기체-충전 반동 이온분리기(Gas-Filled Recoil Separator, GARIS)를 사용하여 우눈옥튬을 발견하였는데, 이들은 같은 장치를 사용하여 원자번호 113번에서 118번(우눈옥튬)까지의 6가지 원소들을 합성·발견하였다. 이들은 타이타늄 막에 249Cf 산화물을 입힌 표적에 245 Mev 48Ca 이온 빔을 쪼였는데, 2300시간 동안 모두 2.5x1019개의 48Ca 이온을 쪼인 결과 α 붕괴를 하고 수명이 각각 2.55 ms와 3.16 ms인 294Uuo로 여겨지는 원자 2개를 검출하였다. 2개의 원자 중에서 수명이 2.55 ms인 원자는 붕괴에너지 11.65 MeV으로 α 붕괴를 하고, 이에 의해 생성된 수명 41.1 ms의 딸 원자핵은 붕괴 에너지 10.71 MeV로 다시 α 붕괴를 하며, 이에 의해 생성된 핵은 0.52초 후에 자발적 핵분열을 하는 것을 관찰하였다. 수명이 3.16 ms인 다른 하나는 자발적 핵분열을 하는 것으로 여겨졌다.
JINR/LLNR 연구팀은 자신들이 발견한 294Uuo의 합성과 이의 붕괴 특성을 검증하기 위해 2003년에 퀴륨-245(245Cm) 표적에 48Ca 이온 빔을 쪼여 294Uuo의 딸 핵인 290Lv를 직접 합성하고, 이의 붕괴 특성을 조사하였는데, 이렇게 직접 합성한 290Lv의 붕괴 성질이 294Uuo의 α 붕괴 생성물에서 관찰된 것과 잘 부합되었다. 이들은 또한 2005년에는 2002년의 실험을 다시 수행하였는데, 이번에는 모두 4.1x1019개의 48Ca 이온을 충돌시켜 294Uuo 원자 2개를 추가로 검출하였으며, 앞서 얻었던 수명이 2.55 ms인 원자가 보였던 붕괴 사슬을 다시 확인하였다.
그들은 이들 결과를 종합하여 2006년 10월 9일에 정식 논문으로 학술지(Phys. Rev. C)에 보고하는 한편, 자신들의 새로운 원소 발견 사실을 검증하여 인정해 주도록 IUPAC에 요청하였다. IUPAC과 국제순수∙응용물리연맹(IUPAP)이 공동으로 구성한 합동실무위원회(Joint Working Party, JWP)는 2011년에 이들의 주장을 검토한 결과, 이들이 얻은 결과가 아직은 새로운 원소 발견을 인정하는 기준을 만족시키지 않는다고 결론지었는데, 이러한 신중함에는 앞서 LBL 팀의 데이터 조작파문이 어느 정도 영향을 미쳤을 것으로 여겨진다.
2006년 10월에 JINR/LLNL 연구팀이 발표한 294Uuo의 합성과 이의 붕괴 경로. α 붕괴 에너지와 반감기는 검출된 3개 원자의 α 붕괴 사슬에서 얻은 것의 평균 값이며, 자발적 핵분열(SF)의 분율은 녹색으로 나타내었다. <출처 : (cc) Tkgd2007 at en.Wikipedia.org>
원소 이름 명명
118번 원소는 주기율표에서 라돈(Rn) 바로 아래에 있으므로 멘델레예프식 명명 방식에 따라 에카-라돈(eka-Radon)으로 부를 수 있는데, 1960년대까지는 라돈을 에마나티온(emanation)으로 불렀기 때문에 에카-에마나티온(eka-emanation)으로도 알려져 있었다. 우눈옥튬(ununoctium, 원소기호 Uuo)은 1979년에 IUPAC이 정한 원자번호에 기초한 계통적 원소 명명법(네이버캐스트 우눈트륨 참조)에 따른 잠정적 이름으로 원소 발견이 공식적으로 인정되고 정식 이름이 지어질 때까지 사용된다. 그러나 많은 과학자들은 우눈옥튬을 단순히 ‘118번 원소’라 부르고, 원소 기호는 ‘118’로 표기하기도 한다.
1999년에 118번 원소를 발견하였다고 발표한 LBL 연구진은 이 논문이 2002년에 철회되기 전에, 이 원소의 이름을 LBL에서 초우라늄 원소들의 발견에 핵심적 역할을 한 기오로소(Albert Ghiorso, 1915~2010)의 이름을 따서 기오르슘(ghiorsium)으로 제안하려 했다고 한다. 두브나의 JINR/LLNL 공동 연구진은 아직 이 원소에 대한 정식 이름을 제안하지 않았는데, 원소가 비활성 기체족에 속하는 것으로 확인된다면 원소 이름에 비활성 기체족 원소의 공통적 접미어 ‘on’이 붙여질 것으로 예상된다. 참고로 헬륨(helium, He)의 접미어는 ‘on’이 아닌 ‘ium’인데, 이는 헬륨이 발견되고, 그 이름이 정해진 1880년대에는 이 원소가 비활성 기체임을 알지 못했기 때문이다.
러시아 두브나(Dubna)의 합동핵연구소에서 원자번호 113~118번 원소를 합성하는데 사용된 중이온 사이클로트론(원형 가속기) U400.
물리 및 화학적 성질
우눈옥튬은 지금까지 검출된 원자가 3개 또는 4개에 불과하고 반감기도 아주 짧기 때문에, 이의 성질이 실험적으로 조사된 것은 없다. 그러나 이론적 계산과 원소들의 주기성에서 여러 성질들이 예측되었다. 끓는점은 50~110℃ 범위에 있을 것으로 예측되는데, 참고로 제논(Xe)과 라돈(Rn)의 끓는점은 각각 -108.1℃와 -61.85℃이다. 따라서 우눈옥튬은 실온 1기압에서 고체로 있을 가능성이 크며(비활성 기체 원소는 액체로 존재하는 온도 범위가 2~9℃에 불과하므로, 액체로 존재할 가능성은 상대적으로 작다), 이 경우에 밀도는 13.65 g/cm3일 것으로 예측된다. 원자 반경은 152 pm로 예측되었다.
18 족(비활성 기체족) 원소들은 최외각 원자가 껍질이 완전히 채워진 전자 배치 ns2np6(He은 1s2이며, Uuo는 7s27p6)를 가지며, 화학 반응성이 거의 없다. 이론적 계산에 따르면, 우눈옥튬의 경우에는 상대론적 효과로 인해 7s2 전자가 매우 안정화되며, 스핀-궤도 상호작용으로 인해 6개의 7p전자는 낮은 에너지 상태의 7p1/2 전자 2개와 높은 에너지 상태의 7p3/2전자 4개로 나뉘어진다. 따라서 우눈옥튬의 최외각 전자배치는 7s27p1/227p3/24로 나타낼 수 있으며, 높은 에너지의 7p3/2 부껍질로 인해 우눈옥튬의 화학 반응성은 라돈(Rn)보다는 훨씬 크고 플레로븀(Fl)이나 코페르니슘(Cn)보다도 클 것으로 예측되었다.
우눈옥튬의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>
우눈옥튬 이원자 분자(Uuo2)는 해리에너지가 6 kJ/mol로, 대략 Hg2와 비슷한 안정도를 가질 것으로 계산되었다. 산화상태가 각각 +2와 +4인 플루오린 화합물 UuoF2와 UuoF4가 안정할 것으로 예측되었으며, +6가의 산화상태는 7p1/2 전자의 에너지가 낮아 이들 전자를 잃기 어려우므로 덜 안정할 것으로 예측되었다. 한편, XeF4가 사각 평면(square planar) 구조를 갖는 것과는 달리, UuoF4는 사면체(tetrahedral) 구조를 가질 것이 예상된다.
동위원소와 방사성 붕괴 성질
지금까지 합성된 우눈셉튬 동위원소는 294Uuo가 유일하다. 반감기는 0.89 ms인데, 검출된 3개 원자의 수명(생성 후 붕괴될 때까지의 시간)에서 계산된 것이어서 불확실성이 상당히 크다. 294Uuo는 α 붕괴를 하고 116번 원소 리버모륨 동위원소 290Lv가 된다. 이론적 계산 결과에 따르면, 아직 발견되지 않은 297Uuo와 많은 중성자를 갖는 질량수 313 부근의 동위원소들은 수명이 길 것으로 예상된다.
우눈옥튬의 합성
지금까지 우눈옥튬의 생성이 검출된 합성 반응은 249Cf 표적과 48Ca 충돌이온간의 반응이 유일한데, 이 반응으로 모두 3개 또는 4개의 294Uuo 원자가 검출되었다. 이 반응 외에 원자번호 118번의 복합핵(compound nucleus, 핵융합 반응에서 표적과 충돌이온 원자핵의 결합으로 생기는 준안정 상태의 원자핵)을 생성할 수 있는 표적과 충돌이온의 조합으로 160Gd/136Xe, 208Pb/86Kr, 232Th/64Ni, 238U/58Fe, 244Pu/54Cr, 248Cm/50Ti, 250Cm/50Ti, 252Cf/48Ca, 257Fm/40Ar 등이 있다. 이중 208Pb/86Kr 반응은 1999년에 LBL에서 수행하여 293Uuo를 검출하였다고 발표하였으나 데이터 조작에 의한 것으로 밝혀져 철회되었으며, 나머지 반응들은 아직 시도되지 않았다.
현재(2014년 1월)까지 발견된 모든 원소를 포함하는 주기율표. 113, 115, 117, 118번 원소는 아직 원소 발견이 공식적으로 인정되지 않고 정식 이름이 정해지지 않아 IUPAC의 원자번호에 따른 잠정적 이름으로 나타나 있다.
이번의 118번 원소에 대한 기술을 마지막으로 지금까지 발견된 원소들에 대한 소개를 끝냈다. 다만 55번 원소는 방사성 세슘 오염에 중점을 두어 다른 원소들과는 크게 다른 형태로 소개되었다. 따라서 다음 회에는 세슘에 대한 전반적인 내용을 소개하고자 한다. 그리고 그 다음 회에서는 합성을 시도하였으나 원소 검출에는 실패한 119번 이후의 몇 가지 원소들에 대한 소개, 그리고 주기율표의 끝(발견 가능한 원소의 한계)이 있는지의 여부와 있다면 끝이 어디까지인가에 대한 여러 학자들의 예측을 소개하는 글을 싣고자 한다. 그리고 다시 원점으로 돌아가 원소와 원자, 원소의 주기율표, 원소의 주기적 성질들을 3~4회에 걸쳐 소개하는 것으로 약 3년 반에 걸친 원소들에 대한 글을 마무리하고자 한다.
- 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 우눈옥튬
- 우눈옥튬은 원자번호 118번의 원소로, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f146d107s27p6 ([Rn]5f146d107s27p6)로 예상된다. 2002년에 처음 합성∙발견되었는데, 아직 새로운 원소로 공식 인정되지는 않고 있다. 294Uuo가 알려진 유일한 동위원소이며, 지금까지 3 개 또는 4개의 원자가 검출되었을 뿐이고, 반감기는 약 0.89 ms이다. 끓는점은 50~110℃ 범위에 있을 것으로 예측되었으며, 고체 밀도는 13.65 g/cm3, 원자 반경은 약 152 pm일 것으로 예측되었다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 839.4 kJ/mol와 1563.1 kJ/mol로 예측되었다. 산화상태가 각각 +2와 +4인 플루오린 화합물 UuoF2와 UuoF4가 화학적으로 안정하게 존재할 수 있을 것으로 예상된다
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Ununoctium
Ununoctium 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 Ununoctium | ||||||||||||||||
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