안정성의 섬

right|섬네일|upright=2.4|alt=중핵종 및 초중핵종의 측정된 및 예측된 반감기와 베타 안정선 및 안정성의 섬의 예측된 위치를 보여주는 다이어그램.|합동원자핵연구소가 만든 다이어그램으로, 양성자와 중성자의 수에 따라 정렬된 초중핵종의 측정(상자 안) 및 예측 반감기를 보여준다. Z = 112 (코페르니슘) 주변에 예상되는 안정성의 섬의 위치가 원으로 표시되어 있다.

핵물리학에서 안정성의 섬(Island of stability)은 초악티늄족 원소의 동위 원소 중 알려진 동위 원소보다 상당히 긴 반감기를 가질 수 있다고 예측된 여러 원소 집합을 말한다. 이는 알려진 안정 및 장수명 원시 핵종과 분리되어 핵종표에 "섬"으로 나타날 것으로 예측된다. 그 이론적 존재는 초중질량 영역에서 예측된 마법수의 양성자와 중성자의 안정화 효과에 기인한다.

안정성의 섬의 정확한 위치에 대해서는 여러 예측이 있었지만, 일반적으로 N = 184에서 예측되는 닫힌 중성자 껍질 근처의 코페르니슘과 플레로븀 동위 원소 근처에 중심을 둘 것으로 추정된다. 이러한 모델은 닫힌 껍질이 핵분열과 알파 붕괴에 대한 추가적인 안정성을 부여할 것임을 강력히 시사한다. 이런 효과는 원자 번호 Z = 114 (플레로븀) 및 N = 184 근처에서 가장 클 것으로 예상되지만, 안정성이 증가하는 영역은 여러 인접한 원소를 포함할 것으로 예상되며, 이중 마법수 (양성자와 중성자 모두 마법수를 가짐)를 갖는 더 무거운 핵 주변에도 추가적인 안정성의 섬이 있을 수 있다. 섬 내 핵종의 안정성 추정치는 일반적으로 수분 또는 수일의 반감기이며, 일부 낙관론자는 수백만 년의 반감기를 제안하기도 한다.

마법수를 예측하는 핵 껍질 모델은 1940년대부터 존재했지만, 장수명 초중 핵종의 존재는 확실히 입증되지 않았다. 다른 초중원소와 마찬가지로 안정성의 섬 내 핵종은 자연에서 발견된 적이 없으므로 연구를 위해서는 핵반응을 통해 인공적으로 생성해야 한다. 과학계는 그러한 반응을 수행할 방법을 찾지 못했는데, 이는 섬의 중심 근처의 핵을 채우는 데 새로운 유형의 반응이 필요할 가능성이 높기 때문이다. 그럼에도 불구하고 오가네손까지 Z = 118의 초중 원소를 최대 177개의 중성자와 함께 성공적으로 합성한 것은 110에서 114까지의 원소 주변에서 약간의 안정화 효과를 보여주며, 이는 더 무거운 동위 원소에서 계속되어 안정성의 섬의 존재와 일치한다.

 서론 
 핵종 안정성 

섬네일|left|upright=1.2|alt=원자 번호 Z와 중성자 수 N 축에 대해 플로팅된 핵종의 반감기 전체 차트.|알려진 핵종의 반감기 차트

핵종(원자핵)의 구성은 양성자 수 Z와 중성자 수 N에 따라 정의되며, 이들은 합하여 질량수 A를 이룬다. 양성자 수 Z는 원자 번호라고도 불리며, 주기율표에서 원소의 위치를 결정한다. 약 3,300개의 알려진 핵종은 일반적으로 Z와 N을 축으로 하고 각 불안정한 핵종에 대해 방사성 붕괴의 반감기가 표시된 핵종표로 표현된다 (그림 참조). 2025년 기준 251개의 핵종이 안정한 것으로 관찰된다 (붕괴하는 것이 관찰되지 않음). 일반적으로 양성자 수가 증가하면 안정적인 핵은 더 높은 중성자-양성자 비율(양성자당 중성자가 더 많음)을 갖는다. 주기율표에서 안정적인 동위 원소를 갖는 마지막 원소는 납 (Z = 82)이다. 일반적으로 더 무거운 원소에서는 안정성 (즉, 가장 오래 사는 동위 원소의 반감기)이 감소하며, 특히 퀴륨 (Z = 96)을 넘어서는 불안정성이 심해진다. 핵의 반감기는 중성자-양성자 비율이 불균형할 때도 감소하여, 결과적으로 핵이 안정하기에는 너무 적거나 너무 많은 중성자를 갖게 된다.

핵의 안정성은 결합 에너지로 결정되며, 결합 에너지가 높을수록 안정성이 커진다. 핵자당 결합 에너지는 원자 번호가 증가함에 따라 A = 60 근처의 넓은 평탄 지역까지 증가한 후 감소한다. 핵이 더 낮은 총 에너지를 갖는 두 부분으로 분할할 수 있다면 (더 큰 결합 에너지로 인한 질량 결손의 결과) 그 핵은 불안정하다. 핵은 분할을 막는 퍼텐셜 장벽 때문에 유한한 시간 동안 함께 유지될 수 있지만, 이 장벽은 양자 터널링을 통해 넘어설 수 있다. 장벽과 핵분열 생성물의 질량이 낮을수록 단위 시간당 분할될 확률은 커진다.

핵 속의 양성자는 강한 상호작용으로 결합되어 있으며, 이는 양전하를 띤 양성자 사이의 쿨롱 반발력을 상쇄한다. 더 무거운 핵에서는 반발력을 줄이고 추가적인 안정성을 부여하기 위해 더 많은 수의 전하 없는 중성자가 필요하다. 그럼에도 불구하고, 물리학자가 자연에 존재하지 않는 원소를 합성하기 시작하면서, 핵이 더 무거워질수록 안정성이 감소한다는 것을 발견했다. 따라서 과학계는 언젠가 주기율표가 끝날 수도 있다고 추측했다. 플루토늄 (원소 94번)의 발견자는 이것이 마지막 원소라고 생각하여 "울티미움"이라고 이름을 붙이는 것을 고려했다. 더 무거운 원소들이 발견된 후 일부는 마이크로초 단위로 붕괴하면서 자발 핵분열에 대한 불안정성이 더 무거운 원소의 존재를 제한할 것으로 보였다. 1939년에는 잠재적인 원소 합성의 상한이 원소 104번 주변으로 추정되었으며, 1960년대 초 초악티늄족 원소의 첫 발견 이후, 이 상한 예측은 원소 108번까지 확장되었다.

 마법수 
섬네일|right|upright=1.2|alt=알려진 및 예측된 양성자 껍질의 에너지 준위를 보여주는 다이어그램으로, 원자 번호 82, 114, 120, 126에서 틈이 있다.|알려진 및 예측된 양성자 껍질의 에너지 준위를 보여주는 다이어그램 (왼쪽과 오른쪽은 두 가지 다른 모델을 보여줌). Z = 82, 114, 120, 126에서의 틈은 껍질 닫힘에 해당하며, 이는 특히 안정적인 구성을 가지므로 더 안정적인 핵을 만든다.

일찍이 1914년, 당시 가장 무거운 원소였던 우라늄의 원자 번호를 훨씬 넘어서는 초악티늄족 원소의 존재 가능성이 제기되었다. 독일 물리학자 리하르트 스빈 (Richard Swinne)은 Z = 108 주변의 초중 원소가 우주선의 방사선원이라고 제안했다. 스빈은 확실한 관찰을 하지는 않았지만, 1931년에 Z = 100 또는 Z = 108 주변의 초우라늄 원소가 상대적으로 수명이 길고 자연에 존재할 수 있다고 가설을 세웠다. 1955년, 미국 물리학자 존 아치볼드 휠러도 이러한 원소의 존재를 제안했으며 그는 1958년에 프레데릭 베르너 (Frederick Werner)와 함께 발표한 논문에서 "초중원소"라는 용어를 처음 사용한 것으로 알려져 있다. 이 아이디어는 10년 후 핵 껍질 모형의 개선이 이루어질 때까지 큰 관심을 끌지 못했다. 이 모델에서 원자핵은 원자의 전자 껍질과 유사하게 "껍질"로 구성된다. 중성자와 양성자는 서로 독립적으로 일반적으로 서로 가까운 에너지 준위를 가지지만, 주어진 껍질이 채워진 후에는 다음 껍질을 채우기 시작하는 데 훨씬 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 핵자당 결합 에너지는 국부적으로 최댓값에 도달하며, 채워진 껍질을 가진 핵은 그렇지 않은 핵보다 더 안정적이다. 핵 껍질 모델 이론은 1930년대에 시작되었지만, 1949년에 독일 물리학자 마리아 괴퍼트메이어와 J. 한스 D. 옌젠 등이 독립적으로 올바른 공식을 고안하기 전까지는 제대로 모델이 잡히지 않았다.

껍질이 채워지는 핵자의 수는 마법수라고 불린다. 중성자의 마법수는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126으로 관찰되었으며, 다음 숫자는 184로 예측된다. 양성자는 이 마법수 중 첫 6개를 공유하며, 126은 1940년대부터 양성자 마법수로 예측되었다. 16O (Z = 8, N = 8), 132Sn (Z = 50, N = 82), 208Pb (Z = 82, N = 126)와 같이 양성자수와 중성자수 모두 마법수를 가진 핵종은 "이중 마법수"라고 불리며, 더 큰 결합 에너지를 가져 주변 핵종보다 더 안정적이다.

1960년대 후반에는 미국 물리학자 윌리엄 마이어스 (William Myers)와 폴란드 물리학자 브와디스와프 시비옹테키 (Władysław Świątecki)가, 독일 물리학자 하이너 멜드너 (Heiner Meldner, 1939–2019)가 독자적으로 더욱 정교한 껍질 모델을 정립했다. 이 모델로 쿨롱 반발력을 고려하여, 멜드너는 다음 양성자 마법수가 126이 아닌 114일 수 있다고 예측했다. 마이어스와 시비옹테키는 "안정성의 섬"이라는 용어를 처음 사용한 것으로 보이며, 나중에 많은 초중원소를 발견한 미국 화학자 글렌 시보그가 이 용어를 빠르게 채택하고 홍보했다. 마이어스와 시비옹테키는 일부 초중원소의 핵이 더 높은 핵분열 장벽의 결과로 더 오래 유지될 것이라고 제안했다. 소련 물리학자 빌렌 스트루틴스키의 핵 껍질 모델의 추가 개선은 액체 방울 모델의 특징인 부드러운 경향과 껍질 효과와 같은 국부적 변동을 모두 고려하는 핵 질량 모델인 거시-미시 방법의 출현으로 이어졌다. 이 접근법은 스웨덴 물리학자 스벤 닐손 (Sven Nilsson) 등이 다른 연구진과 함께 섬 내 핵의 안정성에 대한 최초의 상세한 계산을 수행할 수 있게 도와주었다. 이 모델의 출현과 함께 스트루틴스키, 닐손 및 다른 연구진은 1957년에 이미 이중 마법수일 것으로 예측되었던 310Ubh (Z = 126, N = 184) 대신 이중 마법 핵종 298Fl (Z = 114, N = 184)의 존재를 주장했다. 이후 양성자 마법수 추정치는 114에서 126까지 다양하며 정확히 몇이 마법수인지 여전히 합의가 이루어지지 않고 있다.

 발견 

1960년대 내내 안정성의 섬에 대한 관심이 커졌다. 일부 계산에 따르면 수십억 년의 반감기를 가진 핵종이 포함될 수도 있다고 추정된다. 또한 높은 원자 질량에도 불구하고 자발 핵분열에 특히 안정적일 것으로 예측되었다. 만약 그러한 원소가 존재하고 충분히 오래 산다면, 그들의 핵 및 화학적 특성으로 인해 여러 새로운 응용이 가능할 것이라 전망되었다. 여기에는 중성자원으로서의 입자 가속기 사용, 예측된 낮은 임계 질량과 핵분열당 방출되는 높은 중성자 수로 인한 핵무기 사용, 우주 임무를 위한 핵연료 등이 포함된다. 이러한 추측은 1960년대와 1970년대에 많은 연구자가 자연과 입자 가속기를 통한 핵합성 양쪽으로 초중원소를 탐색하게 만들었다.

1970년대에는 장수명 초중원소 핵에 대한 많은 탐색이 수행되었다. 원자 번호 110에서 127번까지의 원소를 합성하기 위한 실험이 전 세계 연구실에서 진행되었다. 이 원소는 융합-증발 반응에서 탐색되었는데, 이 반응에서는 한 핵종으로 만들어진 무거운 표적이 가속된 다른 이온에 사이클로트론에서 조사되고, 이 핵이 핵융합한 후 결과적인 들뜬 상태의 입자가 여러 입자 (일반적으로 양성자, 중성자 또는 알파 입자)를 증발시켜 에너지를 방출함으로써 새로운 핵종이 생성된다. 이 반응은 "흡열" 및 "발열" 융합으로 나뉘며, 각각 더 낮거나 더 높은 들뜸 에너지를 갖는 여러 입자를 생성한다. 이는 반응의 수율에 영향을 미친다. 예를 들어, 248Cm과 40Ar 사이의 반응은 원소 114번의 동위 원소를 생성할 것으로 예상되었고, 232Th와 84Kr 사이의 반응은 원소 126번의 동위 원소를 생성할 것으로 예상되었다. 이러한 시도 중 어느 것도 성공하지 못했는데, 이는 반응 단면적이 낮아 수율이 낮았다면 그러한 실험이 새 핵종을 발견하기에 충분히 민감하지 않았거나, 그러한 융합-증발 반응을 통해 도달할 수 있는 핵이 검출하기에는 너무 짧은 수명을 가졌을 수 있음을 나타낸다. 이후의 성공적인 실험은 반감기와 단면적이 실제로 원자 번호가 증가함에 따라 감소하여, 각 실험에서 가장 무거운 원소의 수명이 짧은 몇 개의 원자만을 합성하게 된다는 것을 밝혀냈다. 2022년 기준 안정성의 섬 근처 초중원소 핵종에 대해 보고된 가장 높은 단면적은 243Am과 48Ca 사이의 반응에서 288Mc에 대한 것이다.

자연에서 유사한 탐색도 실패했는데, 이는 초중원소가 자연에 존재한다면 그 풍부도가 광석 1 몰당 10−14몰 미만임을 시사한다. 장수명 초중원소 핵을 관찰하려는 이러한 실패에도 불구하고, 새로운 초중 원소는 수년마다 경이온 폭격과 냉융합 반응을 통해 실험실에서 합성되었다. 최초의 초악티늄족 원소인 러더포듐은 1969년에 발견되었고, Z = 114로 예측된 안정성의 섬에 8개의 양성자가 더 가까운 코페르니슘은 1996년까지 도달되었다. 이 핵종의 반감기는 매우 짧지만 (수 초 단위), 러더포듐보다 무거운 원소의 존재 자체가 닫힌 껍질에서 발생한다고 생각되는 안정화 효과를 나타낸다. 그러한 효과를 고려하지 않는 모델은 빠른 자발 핵분열로 인해 이러한 원소는 존재하지 못한다고 바라본다.

예상되는 마법수 양성자인 114개를 가진 플레로븀은 1998년 러시아 두브나의 합동원자핵연구소에서 유리 오가네샨이 이끄는 물리학자 연구진이 처음으로 합성했다. 원소 114번의 단일 원자가 수명 30.4초로 검출되었으며, 그 붕괴 생성물은 수분 단위로 측정되는 반감기를 가졌다. 생성된 핵이 핵분열 대신 알파 붕괴를 겪었고, 반감기가 이전에 예측되었거나 초중원소에서 관찰된 것보다 여러 크기 정도 더 길었기 때문에, 이 사건은 안정성의 섬의 존재에 대한 강력한 증거를 제공하는, 안정성의 섬의 특징적인 붕괴 사슬의 "교과서적인 예"로 여겨졌다. 원래의 1998년 붕괴사슬은 다시 관찰되지 않았고, 관련 붕괴 핵종은 여전히 불확실하지만 다음 20년 동안의 추가적인 성공적인 여러 실험은 오가네손까지의 모든 원소의 발견으로 이어졌고, 그 반감기는 초기에 예측된 값을 초과하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 붕괴 특성은 안정성의 섬의 존재를 더욱 뒷받침한다. 그러나 2021년 플레로븀 동위 원소의 붕괴 사슬에 대한 연구는 알려진 핵 (N = 174) 영역에서 Z = 114로 인한 강력한 안정화 효과가 없으며, 추가적인 안정성은 주로 중성자 껍질 닫힘의 결과일 것이라고 제안한다. 알려진 핵종이 최대 안정성이 예상되는 N = 184에 비해 여전히 여러 중성자가 부족하고 (가장 중성자가 풍부한 확인된 핵종인 293Lv와 294Ts는 N = 177에 불과하다), 섬 중심의 정확한 위치는 여전히 알 수 없지만 N = 184에 가까워질수록 안정성이 증가하는 경향은 입증되었다. 예를 들어, 277Cn보다 8개의 중성자가 더 많은 동위 원소 285Cn은 반감기가 거의 5자리 수 더 길다. 이러한 경향은 껍질 닫힘 근처의 알려지지 않은 더 무거운 동위 원소에서도 계속될 것으로 예상된다.

 변형된 핵 
섬네일|right|upright=2|alt=여러 알파 붕괴로 구성되고 자발 핵분열로 끝나는 짝수 Z 초중 핵종의 관찰된 붕괴 사슬 다이어그램.|짝수 Z 초중원소의 관찰된 붕괴 사슬 요약으로, 사슬 3, 5, 8의 추정되는 잠정 핵종을 포함한다. 다른 분석에 따르면, 사슬 3 (원소 120번에서 시작)은 실제 붕괴 사슬이 아니라 무작위 사건의 연속이다. 중성자 과잉 (N − Z, 양성자와 중성자 수의 차이)이 증가하는 동위 원소에서 안정성이 증가하는 일반적인 경향이 있으며, 특히 원소 110번, 112번, 114번에서 두드러지게 나타나 안정성의 섬 중심이 훨씬 더 무거운 동위 원소 사이에 있음을 강력히 시사한다.

N = 184 주변의 안정성의 섬 내 핵은 구형일 것으로 예측되지만, 1990년대 초 (1991년 폴란드 물리학자 지그문트 파티크 (Zygmunt Patyk)와 아담 소비체프스키 (Adam Sobiczewski)부터 시작)의 연구는 일부 초중원소가 완벽한 구형 핵을 가지지 않는다는 것을 시사한다. 핵 모양의 변화는 껍질 내 중성자와 양성자의 위치를 변경시킨다. 연구에 따르면 구형 마법수에서 멀리 떨어진 큰 핵은 변형되어 마법수가 이동하거나 새로운 마법수가 나타나게 된다. 현재 이론적 연구는 Z = 106~108 및 N ≈ 160~164 영역에서 핵이 변형된 핵의 껍질 효과의 영향으로 핵분열에 더 강할 수 있음을 나타낸다. 따라서 이러한 초중원소 핵은 알파 붕괴만 겪을 것이다. 하슘-270은 이제 이중 마법 변형 핵으로, 변형된 마법수 Z = 108 및 N = 162를 갖는 것으로 추정된다. 반감기는 9초이다. 이는 악티늄족과 N = 184 근처의 안정성의 섬 사이의 핵의 변형된 특성을 고려하는 모델과 일치하며, Z = 108 및 N = 162의 변형된 마법수에서 안정성의 "반도"가 나타난다. N = 162 근처의 인접한 하슘 및 시보귬 동위 원소의 붕괴 특성 결정은 변형된 핵의 상대적 안정성 영역에 대한 추가적인 강력한 증거를 제공한다. 또한 안정성의 섬 (구형 핵의 경우)이 안정 핵 영역과 완전히 고립된 것이 아니라, 오히려 두 영역이 상대적으로 안정적인 변형된 핵의 지협을 통해 연결되어 있음을 강력히 시사한다.

 예측된 붕괴 특성 
left|섬네일|upright=1.75|alt=알려진 및 예측된 초중 핵의 네 가지 주요 붕괴 모드 (알파, 전자 포획, 베타, 자발 핵분열)를 묘사하는 다이어그램.|알려진 핵에 검은색 윤곽선이 있는 초중원소 핵의 예측된 붕괴 모드를 가리키는 다이어그램. 가장 중성자가 부족한 핵과 N = 184의 껍질 닫힘 바로 너머의 핵은 주로 자발 핵분열 (SF)을 겪을 것으로 예측되며, 알파 붕괴 (α)는 섬에 더 가까운 중성자가 부족한 핵에서 우세할 수 있고, 상당한 베타 붕괴 (β) 또는 전자 포획 (EC) 가지가 291Cn 및 293Cn 주변의 섬 중심에 가장 가까이 나타날 수 있다.

안정성의 섬에 있는 핵의 반감기는 "섬에 있는" 핵종 중 어느 것도 관찰되지 않았으므로 정확히 알려져 있지 않다. 많은 물리학자는 이 핵종의 반감기가 상대적으로 짧아, 수분 또는 수일 정도라고 믿는다. 일부 이론적 계산은 반감기가 100년 정도 또는 심지어 109년만큼 길 수도 있다고 나타낸다.

N = 184에서의 껍질 닫힘은 알파 붕괴와 자발 핵분열에 대한 더 긴 부분 반감기를 띄게 될 것으로 예측된다. 껍질 닫힘은 298Fl 주변 핵종에 대해 더 높은 핵분열 장벽을 가지게 만들어 핵분열을 강력히 억제하고, 껍질 닫힘의 영향을 받지 않는 핵종보다 핵분열 반감기가 30자리 수 더 길게 될 수도 있다고 믿어진다. 예를 들어, 중성자가 부족한 동위 원소 284Fl (N = 170)은 2.5밀리초의 반감기로 핵분열을 겪으며, N = 184 껍질 닫힘 근처에서 안정성이 증가한 가장 중성자가 부족한 핵종 중 하나로 여겨진다. 이 지점을 넘어서면 일부 미발견 동위 원소는 여전히 더 짧은 반감기로 핵분열을 겪을 것으로 예측되어 안정성의 섬에서 멀리 떨어진 초중 핵종 (즉 N < 170 뿐만 아니라 Z > 120 및 N > 184)의 존재와 가능한 관찰을 제한한다. 이러한 핵은 마이크로초 또는 그 이하로 알파 붕괴 또는 자발 핵분열을 겪을 수 있으며, 일부 핵분열 반감기는 핵분열 장벽이 없는 경우 10−20초 단위로 추정된다. 대조적으로, 298Fl (최대 껍질 효과 영역 내에 있을 것으로 예측됨)은 훨씬 더 긴 자발 핵분열 반감기를 가질 수 있으며 대략적으로 1019년 단위이다.

섬의 중심에서는 알파 붕괴와 자발 핵분열 사이에 경쟁이 있을 수 있지만, 정확한 비율은 모델에 따라 다르다. 100 ≤ Z ≤ 130인 핵 1700개의 알파 붕괴 반감기는 실험적 및 이론적 알파 붕괴 Q값을 사용하여 양자 터널링 모델로 계산되었으며, 가장 무거운 일부 동위 원소에 대해 관찰된 반감기와 일치한다.

가장 오래 사는 핵종은 베타 안정선에 있을 것으로 예측된다. 왜냐하면 베타 붕괴가 섬의 예측된 중심 근처, 특히 원소 111~115번의 동위 원소에 대해 다른 붕괴 모드와 경쟁할 것으로 예측되기 때문이다. 이 핵종에 대해 예측된 다른 붕괴 모드와 달리 베타 붕괴는 질량수를 바꾸지 않는다. 대신 중성자가 양성자로 또는 그 반대로 전환되어 안정성 중심에 더 가까운 인접 동중 원소 (가장 낮은 질량 과잉을 갖는 동중 원소)를 생성한다. 예를 들어, 291Fl 및 291Nh와 같은 핵종에서 상당한 베타 붕괴 가지가 존재할 수 있다. 이 핵종은 알려진 핵종보다 중성자가 몇 개 더 많으며, 안정성의 섬 중심을 향한 "좁은 경로"를 통해 붕괴할 수 있다. 베타 붕괴의 가능한 역할은 매우 불확실하다. 왜냐하면 이러한 원소의 일부 동위 원소 (예: 290Fl 및 293Mc)는 알파 붕괴에 대해 더 짧은 부분 반감기를 가질 것으로 예측되기 때문이다. 베타 붕괴는 경쟁을 줄이고 알파 붕괴가 지배적인 붕괴 방향으로 남게 할 것이다. 단, 이러한 핵종의 초변형 이성질핵에 알파 붕괴에 대한 추가적인 안정성이 존재하는 경우가 아니라면 말이다.

right|섬네일|upright=1.75|alt=KTUY 모델에 따른 알려진 및 예측된 초중원소 핵의 네 가지 주요 붕괴 모드 (알파, 전자 포획, 베타, 자발 핵분열)를 묘사하는 다이어그램.|일본 원자력 연구 개발 기구의 이론적 연구에서 파생된 이 예측 붕괴 모드 차트는 294Ds 주변의 안정성의 섬 중심을 예측한다. 이는 주로 알파 붕괴를 겪는 여러 상대적으로 장수명 핵종 중 가장 오래 사는 핵종일 것이다 (원으로 표시됨). 이 영역은 베타 안정선이 N = 184에서의 껍질 닫힘의 영향으로 안정화된 영역을 가로지르는 곳이다. 왼쪽과 오른쪽으로는 핵분열이 지배적인 붕괴 모드가 되면서 반감기가 감소하며, 이는 다른 모델과 일치한다.

모든 붕괴 모드를 고려할 때, 다양한 모델이 섬의 중심 (즉, 가장 오래 사는 핵종)이 298Fl에서 더 낮은 원자 번호로 이동하고, 이 핵종에서 알파 붕괴와 자발 핵분열 사이에 경쟁이 있음을 나타낸다. 여기에는 291Cn 및 293Cn의 100년 반감기, 296Cn의 1000년 반감기, 294Ds의 300년 반감기, 293Ds의 3,500년 반감기가 포함되며, 294Ds와 296Cn은 정확히 N = 184 껍질 닫힘에 있다. 또한 원소 112 ≤ Z ≤ 118에 대한 이러한 향상된 안정성 영역이 핵 변형의 결과일 수 있으며, 구형 초중원소 핵에 대한 안정성의 섬의 진정한 중심은 306Ubb (Z = 122, N = 184) 주변에 있을 수 있다고 가정되었다. 이 모델은 안정성의 섬을 가장 긴 총 반감기가 아닌 핵분열에 대한 가장 큰 저항력을 가진 영역으로 정의한다. 핵종 306Ubb는 여전히 알파 붕괴에 대해 짧은 반감기를 가질 것으로 예측된다. 또한 구형 핵에 대한 안정성의 섬은 N = 184와 114 ≤ Z ≤ 120 주변의 "산호초" (즉, 명확한 "정점"이 없는 넓게 퍼진 안정성이 증가한 영역)일 수 있으며, 양성자 및 중성자 껍질 닫힘의 복합적인 효과로 인해 원자 번호가 높을수록 반감기가 빠르게 감소한다.

가장 무거운 초중 원소에 대한 또 다른 이론적으로 중요한 붕괴 모드는 루마니아 물리학자 도린 포에나루 (Dorin N. Poenaru)와 라두 게르게스쿠 (Radu A. Gherghescu) 및 독일 물리학자 발터 그라이너 (Walter Greiner)가 제안한 뭉치 붕괴 모드이다. 알파 붕괴에 대한 분지비는 원자 번호가 증가함에 따라 증가하여 Z = 120 근처에서 알파 붕괴와 경쟁할 수 있으며, Z = 124 주변의 더 무거운 핵종에서는 지배적인 붕괴 모드가 될 수도 있다. 따라서 섬 중심이 예측된 것보다 더 높은 원자 번호에 있지 않는 한, 안정성의 섬 중심을 넘어선 영역 (그러나 여전히 껍질 효과의 영향을 받음)에서 더 큰 역할을 할 것으로 예상된다.

 가능한 자연 발생 

수백 또는 수천 년의 반감기는 초중원소에게는 상대적으로 길겠지만, 그러한 핵종이 지구상에 자연적으로 존재하기에는 너무 짧다. 또한, 원시 악티늄족 (232Th, 235U, 238U)과 안정성의 섬 사이의 중간 핵의 불안정성은 R-과정 핵합성에서 섬 내 핵의 생성을 억제할 수 있다. 다양한 모델에서 A > 280인 핵의 지배적인 붕괴 모드가 자발 핵분열일 것이며, 중성자 유도 또는 베타 지연 핵분열 (각각 중성자 포획 및 베타 붕괴 직후 핵분열)이 주요 반응 양상이 될 것이라고 제안한다. 결과적으로, 안정성의 섬을 향한 베타 붕괴는 매우 좁은 경로 내에서만 발생하거나 핵분열에 따라 완전히 차단되어 섬 내 핵종의 합성을 방해할 수 있다. 자연에서 292Hs 및 298Fl과 같은 초중 핵종이 관찰되지 않는 것은 이러한 메커니즘으로 인한 r-과정의 낮은 수율과 자연에 측정 가능한 양이 지속될 수 있도록 하기에는 너무 짧은 반감기가 합쳐진 이유로 추정된다. 가속 질량 분석 및 결정 섬광체를 활용한 다양한 연구는 그러한 장수명 초중원소 핵의 자연 풍부도에 대한 상한을 안정적인 동족체에 비해 정도로 보고했다.

이러한 합성의 장애물에도 불구하고, 2013년 발레리 자그레바예프 (Valeriy Zagrebaev)가 이끄는 러시아 물리학자 연구진이 발표한 연구는 가장 오래 사는 코페르니슘 동위 원소가 납에 비해 10−12의 풍부도로 존재할 수 있으며, 이에 따라 우주선에서 검출될 수 있다고 제안한다. 마찬가지로, 2013년 실험에서 알렉산드르 바굴리아 (Aleksandr Bagulya)가 이끄는 러시아 물리학자 연구진은 운석의 감람석 결정에서 3개의 우주 기원 초중원소 핵이 관찰될 수 있다고 보고했다. 이 핵의 원자 번호는 105번에서 130번 사이로 추정되었으며, 한 핵은 113번에서 129번 사이로 제한될 가능성이 있었고 그 수명은 최소 3,000년으로 추정되었다. 이 관찰은 독립적인 연구에서 아직 확인되지 않았지만, 안정성의 섬의 존재를 강력히 시사하며 이 핵종의 반감기에 대한 이론적 계산과 일치한다.

안정성의 섬에 있는 무겁고 장수명 원소의 붕괴는 프시빌스키의 별에서 관찰되는 단수명 방사성 동위 원소의 특이한 존재에 대한 가설이기도 하다.

 합성 및 어려움 
alt=요소의 안정성을 양성자 수 Z 및 중성자 수 N에 대해 나타낸 3D 그래프로, 낮은 숫자에서 높은 숫자로 그래프를 대각선으로 가로지르는 "산맥"과 높은 N 및 Z에 있는 "안정성의 섬"을 보여준다.|섬네일|left|upright=2|N = 178 및 Z = 112 주변 안정성의 섬의 3차원 렌더링

안정성의 섬에 있는 핵을 제조하는 것은 매우 어렵다. 출발 물질로 사용 가능한 핵이 필요한 중성자 합계까지 닿지 않기 때문이다. 방사성 이온 빔(예: 44S)과 Cm과 같은 악티늄족 표적을 결합하면 안정성의 섬 중심에 더 가까운 중성자가 많은 핵을 생산할 수 있지만, 현재 그러한 실험을 수행하는 데 필요한 강도로 빔을 사용할 수 없다. 250Cm 및 254Es와 같은 몇몇 더 무거운 동위 원소는 여전히 표적으로 사용될 수 있어 알려진 동위 원소보다 중성자가 하나 또는 두 개 더 많은 동위 원소를 생산할 수 있지만, 이러한 희귀 동위 원소를 몇 밀리그램 생산하여 표적을 만드는 것은 어렵다. 가장 중성자가 풍부한 알려진 동위 원소를 생성하는 동일한 48Ca 유도 융합-증발 반응에서 대체 반응 채널을 탐색하는 것도 가능할 수 있다. 즉, 더 낮은 들뜬 상태 에너지 (탈여기 동안 방출되는 중성자가 더 적음)를 갖는 채널 또는 전하를 띤 입자 증발 (양성자 및 여러 중성자를 증발시키는 pxn 또는 알파 입자 및 여러 중성자를 증발시키는 αxn)을 포함하는 채널이다. 이를 통해 원소 111~117번의 중성자가 많은 동위 원소를 합성할 수 있다. 예측된 단면적은 1~900 fb 정도이며, 중성자만 증발하는 경우 (xn 채널)보다 작지만 이러한 반응에서 다른 방법으로는 도달할 수 없는 초중원소 동위 원소를 생성하는 것이 여전히 가능할 수 있다. 291Mc, 291Fl, 291Nh와 같은 이러한 더 무거운 동위 원소 중 일부는 상대적으로 긴 반감기를 갖는 알파 붕괴 외에도 전자 포획 (양성자를 중성자로 변환)을 겪을 수 있으며 안정성의 섬 중심 근처에 있을 것으로 예측되는 291Cn과 같은 핵으로 붕괴한다. 그러나 이는 베타 안정선 근처의 초중원소 핵종이 아직 합성되지 않았고 그 특성에 대한 예측이 모델마다 상당히 다르기 때문에 주로 가설로만 남아 있다. 2024년 JINR의 연구팀은 중성자가 부족한 리버모륨 동위 원소의 생성을 목표로 하는 242Pu와 50Ti 사이의 반응의 p2n 채널에서 알려진 동위 원소 289Mc의 한 붕괴 사슬을 관찰했다. 이는 악티늄족 표적과 Z ≥ 20의 발사체 사이의 뜨거운 융합 반응에서 전하를 띤 입자 방출 채널에 대한 최초의 성공적인 보고였다.

257Fm만큼 무거운 핵종을 생산하는 데 사용되는 느린 중성자 포획 과정은 자발 핵분열을 겪는 단수명의 페르뮴 동위 원소 (예: 258Fm은 370 μs의 반감기를 가짐) 때문에 차단된다. 이는 "페르뮴 간극"으로 알려져 있으며, 그러한 반응에서 더 무거운 원소의 합성을 방해한다. 이 간극과 A = 275 및 Z = 104–108 주변의 또 다른 불안정성 영역을 통과하는 것은 천체 물리학적 r-과정을 모방하는 더 높은 중성자 선속 (기존 원자로의 선속보다 약 1000배 더 큼)을 가진 일련의 제어된 핵폭발에서 가능할 수 있다. 1972년 멜드너가 처음 제안한 그러한 반응은 안정성의 섬 내에서 거시적인 양의 초중 원소를 생산할 수 있다고 추정된다. 중간 초중 핵종에서 핵분열의 역할은 매우 불확실하며, 그러한 반응의 수율에 강하게 영향을 미칠 수 있다.

섬네일|right|upright=2.2|alt=Z = 149 및 N = 256까지의 JAEA 핵종 차트로, 예측된 붕괴 모드와 베타 안정선을 보여줌|일본 원자력 연구 개발 기구에서 사용하는 이 핵종 차트는 Z = 149 및 N = 256까지의 핵의 알려진 (상자 안) 및 예측된 붕괴 모드를 보여준다. N = 184 (294Ds–298Fl) 및 N = 228 (354126)의 예측된 껍질 닫힘 주변에서 안정성이 증가하는 영역이 보이며, 짧은 수명의 핵분열 핵 (t1/2 < 1 ns; 차트에 색칠되지 않음)의 간극으로 분리되어 있다.

안정성의 섬에 있는 동위 원소, 예를 들어 298Fl은 악티늄족 핵 (예: 238U 및 248Cm)의 저에너지 충돌에서 다핵자 전이 반응으로 생성될 수도 있다. 이 역 준핵분열 (부분 융합 후 핵분열, 질량 평형에서 벗어나 더 비대칭적인 생성물 생성) 메커니즘은 Z = 114 주변의 껍질 효과가 충분히 강하다면 안정성의 섬으로 가는 길을 제공할 수 있지만, 노벨륨 및 시보귬 (Z = 102~106)과 같은 더 가벼운 원소는 더 높은 수율을 가질 것으로 예측된다. 238U + 238U 및 238U + 248Cm 전이 반응에 대한 예비 연구는 멘델레븀 (Z = 101)보다 무거운 원소를 생산하지 못했지만, 후자 반응의 증가된 수율은 254Es와 같은 더 무거운 표적 (가능하다면)의 사용이 초중원소의 생산을 가능할 수 있음을 시사한다. 이 결과는 더 무거운 표적을 사용하는 전이 반응에서 초중원소 핵종 (Z ≤ 109)의 수율이 더 높을 것이라고 제안하는 이후의 계산에 뒷받침된다. 2018년 사라 벤셸 (Sara Wuenschel) 등이 텍사스 A&M 사이클로트론 연구소에서 수행한 238U + 232Th 반응 연구는 104 < Z < 116의 새로운 중성자가 많은 초중원소 동위 원소에 기인할 수 있는 여러 알려지지 않은 알파 붕괴를 발견했지만, 생성물의 원자 번호를 명확하게 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 이 결과는 껍질 효과가 단면적에 상당한 영향을 미치며, 전이 반응을 통한 미래의 실험에서 안정성의 섬에 도달할 수 있음을 강력히 시사한다.

 다른 안정성의 섬 

Z = 112–114 부근의 주 안정성의 섬을 넘어선 추가적인 껍질 닫힘은 추가적인 안정성의 섬을 만들 수 있다. 다음 마법수 위치에 대한 예측은 상당히 다르지만, 두 개의 중요한 섬이 더 무거운 이중 마법 핵 주변에 존재한다고 추정된다. 첫 번째는 354126 (중성자 228개) 근처이고, 두 번째는 472164 또는 482164 (중성자 308개 또는 318개) 근처이다. 이 두 안정성의 섬 내 핵종은 자발 핵분열에 특히 강하고, 알파 붕괴 반감기가 수년 단위로 측정될 수 있어 플레로븀 근처 원소와 유사한 안정성을 가질 수 있다. 베타 안정 핵종에서 더 약한 양성자 껍질 닫힘과 함께 다른 상대적 안정성 영역도 나타날 수 있다. 그러한 가능성에는 342126 및 462154 근처 영역이 포함된다. 이러한 무거운 핵의 양성자 사이의 훨씬 더 큰 전자기적 반발력은 핵의 안정성을 크게 감소시키고, 껍질 효과 근처의 국부적인 섬으로 안정된 핵의 존재를 제한할 수 있다. 이는 중간 핵종 및 아마도 "불안정성의 바다"에 있는 원소가 빠르게 핵분열을 겪어 본질적으로 존재하지 않게 되어 이러한 섬을 주 핵종표에서 고립시키는 결과를 초래할 수 있다. 또한 원소 126번 주변의 상대적 안정성 영역을 넘어선 더 무거운 핵은 액체 방울 모델에서 주어진 핵분열 임계값을 넘어설 수 있으며, 따라서 매우 짧은 수명으로 핵분열을 겪어 더 큰 마법수 근처에서도 본질적으로 원소가 존재하지 않게 될 가능성이 있다.

또한 A > 300 영역에서는 쿼크 물질의 가설적인 안정상으로 구성된 전체 "안정성의 대륙"이 존재할 수 있다고 가정되었다. 이는 쿼크가 양성자와 중성자로 묶여 있는 대신 자유롭게 흐르는 위 쿼크와 아래 쿼크로 구성된 것이다. 이러한 형태의 물질은 핵물질보다 중입자당 더 큰 결합 에너지를 가진 중입자 물질의 바닥 상태로 이론화되어, 이 질량 임계값을 넘어선 핵물질이 쿼크 물질로 붕괴하는 것을 선호한다. 이 물질 상태가 존재한다면, 일반적인 초중원소 핵으로 이어지는 동일한 융합 반응에서 합성될 수 있으며, 쿨롱 반발력을 극복하기에 충분한 강력한 결합으로 인해 핵분열에 대해 안정화될 것이다.

 같이 보기 
 반전의 섬
 핵종표

 내용주 

 각주 

 참고 문헌 

 
 
 
 
 

 외부 링크 
 Island ahoy! (Nature, 2006, with JINR diagram of heavy nuclides and predicted island of stability)
 Can superheavy elements (such as Z = 116 or 118) be formed in a supernova? Can we observe them? (Cornell, 2004 – "maybe")
 Second postcard from the island of stability (CERN, 2001; nuclides with 116 protons and mass 292)
 First postcard from the island of nuclear stability (CERN, 1999; first few Z = 114 atoms)

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