초악티늄족 원소

초악티늄족 원소는 트랜스악티늄족 원소, 트랜스악티늄족, 초중원소라고도 불리며, 이들은 화학 원소 중 원자 번호가 104 이상인 원소이다. 초악티늄족 원소는 주기율표에서 악티늄족 원소 이후에 오는 원소들을 말하며, 마지막 악티늄족 원소는 로렌슘(103)이다. 정의상 초악티늄족 원소는 초우라늄 원소이기도 하다. 즉, 우라늄(92)보다 큰 원자 번호를 갖는다. 저자가 채택한 3족의 정의에 따라 로렌슘도 6d 계열을 완성하기 위해 포함될 수 있다.

글렌 T. 시보그는 악티늄족 개념을 처음 제안하여 악티늄 계열의 수용을 이끌어냈다. 그는 또한 104번 원소부터 121번 원소까지의 초악티늄족 계열과 대략 122번 원소부터 153번 원소까지의 슈퍼악티늄족 계열을 제안했다(최근 연구에서는 슈퍼악티늄족 계열의 끝이 157번 원소에서 나타날 수 있다고 제시되었지만). 초악티늄족 원소인 시보귬은 그의 이름을 따서 명명되었다.

초중원소는 방사성이며 실험실에서만 합성되었다. 이들 원소의 거시적 샘플은 아직 생산된 적이 없다. 초중원소는 모두 물리학자와 화학자 또는 원소 합성에 관련된 중요한 장소의 이름을 따서 명명되었다.

IUPAC은 원자가 전자 구름을 형성하는 데 걸리는 시간인 10 초보다 수명이 길면 해당 원소가 존재한다고 정의한다.

알려진 초중원소는 주기율표의 6d 및 7p 계열의 일부를 이룬다. 러더포듐과 더브늄(그리고 로렌슘이 포함될 경우 로렌슘)을 제외하고, 알려진 초중원소의 모든 동위원소는 반감기가 몇 분 이하이다. 원소 명명 논란에는 102번~109번 원소가 포함되었다. 따라서 이들 원소 중 일부는 발견이 확인된 후에도 오랫동안 체계적 원소 이름을 사용했다. (일반적으로 체계적 이름은 발견이 확인된 직후 발견자들이 제안한 영구적인 이름으로 대체된다.)

 서론 
 초중원소 핵의 합성 

alt=A graphic depiction of a nuclear fusion reaction|left|섬네일|핵융합 반응 모식도. 두 개의 핵이 하나로 융합하면서 중성자를 방출한다. 지금까지 이와 유사한 방식으로 새로운 원소를 생성했으며, 여러 개의 단일 중성자가 방출되거나 전혀 방출되지 않는다는 차이점만 있을 수 있다.

초중원소 원자핵은 크기가 다른 두 개의 다른 핵을 하나로 결합하는 핵반응에서 생성된다. 대략적으로 두 핵의 질량 차이가 클수록 반응할 가능성이 커진다. 무거운 원자핵으로 이루어진 물질은 표적이 되고, 그 표적에 더 가벼운 원자핵의 빔을 충돌시킨다. 두 핵은 충분히 가까이 접근해야만 하나로 핵융합될 수 있다. 일반적으로 모두 양전하를 띠고 있는 핵은 정전기적 반발 때문에 서로 밀어낸다. 강한 상호작용은 이러한 반발을 극복할 수 있지만 이는 핵으로부터 매우 짧은 거리 내에서만 가능하다. 따라서 빔 핵은 이런 반발력이 빔 핵의 속도에 비해 무시될 정도로 작아지도록 매우 높은 속도로 가속된다. 빔 핵을 가속하기 위해 가해지는 에너지는 빛의 속도의 10분의 1에 달하는 속도를 내게 할 수 있다. 그러나 너무 많은 에너지가 가해지면 빔 핵이 분해될 수 있다.

두 핵이 융합하기에 충분히 가까이 다가가는 것만으로는 충분하지 않다. 두 핵이 서로 접근하면 일반적으로 약 10초 동안 함께 있다가 단일 핵을 형성하기보다는 각자의 길을 간다(반응 전과 동일한 구성일 필요는 없다). 이러한 현상은 단일 핵을 형성하려는 시도 중에 정전기적 반발이 형성 중인 핵을 찢어 놓기 때문에 발생한다. 표적과 빔의 각 조합은 단면적으로 정의된다. 단면적은 두 핵이 서로 접근했을 때 융합이 일어날 확률을 나타내며, 입사한 입자가 융합을 일으키기 위해 맞아야 하는 횡단면적의 크기로 표현된다. 이러한 융합은 핵이 정전기적 반발을 터널링할 수 있는 양자 효과의 결과로 발생할 수 있다. 두 핵이 그 단계를 지나 충분히 가까이 머무를 수 있다면, 여러 핵 상호작용으로 인해 에너지 재분배와 에너지 평형이 이루어진다.

결과적으로 복합핵이라고 불리는 합쳐진 핵은 들뜬 상태이며 따라서 매우 불안정하다. 더 안정한 상태에 도달하기 위해 일시적으로 합쳐진 핵은 더 안정한 핵을 형성하지 않고 핵분열할 수 있다. 또는 복합핵이 몇 개의 중성자를 방출하여 들뜬 에너지를 소산시킬 수 있다. 만약 후자가 중성자 방출에 충분하지 않다면, 핵합체는 감마선을 생성할 것이다. 이러한 현상은 초기 핵 충돌 후 약 10초 이내에 발생하며, 더 안정한 핵의 생성을 초래한다. IUPAC/IUPAP 합동실무단의 정의에 따르면, 화학 원소는 원자의 핵이 10초 이내에 붕괴하지 않았을 때만 발견된 것으로 인정될 수 있다. 이 값은 핵이 전자를 얻어 화학적 특성을 나타내는 데 걸리는 시간의 추정치로 선택되었다.

 붕괴 및 탐지 

빔은 표적을 통과하여 다음 칸인 분리기에 도달한다. 새로운 핵이 생성되면 이 빔과 함께 운반된다. 분리기에서 새로 생성된 핵은 다른 핵종(원래 빔의 핵종 및 기타 반응 생성물)으로부터 분리되어 표면 장벽 검출기로 전달되어 핵을 멈춘다. 검출기에 대한 다음 충돌의 정확한 위치가 표시되고, 그 에너지와 도착 시간도 표시된다. 이동에는 약 10초가 걸리며, 검출되기 위해서는 핵이 이 시간 동안 살아남아야 한다. 핵은 붕괴가 등록되면 다시 기록되고, 붕괴의 위치, 에너지 및 시간이 측정된다.

핵의 안정성은 강한 상호작용에 의해 제공된다. 그러나 그 범위는 매우 짧아서 핵이 커질수록 가장 바깥쪽의 핵자들(양성자와 중성자)에 대한 영향이 약해진다. 동시에 핵은 양성자들 사이의 정전기적 반발력에 의해 찢어지며, 그 범위는 제한되지 않는다. 강한 상호작용에 의해 제공되는 총 결합 에너지는 핵자 수에 비례하여 증가하는 반면, 정전기적 반발력은 원자 번호의 제곱에 비례하여 증가한다. 즉, 후자가 더 빠르게 증가하며 무겁고 초중원소 핵에 대해 점점 더 중요해진다. 따라서 초중원소 핵은 이론적으로 예측되며 지금까지 관찰된 바에 따르면 주로 이러한 반발로 인한 붕괴 모드인 알파 붕괴와 자발 핵분열을 통해 붕괴된다. 거의 모든 알파 방출 핵종은 210개 이상의 핵자를 가지고 있으며, 주로 자발 핵분열을 겪는 가장 가벼운 핵종은 238개이다. 두 붕괴 모드 모두에서 핵은 각 모드에 대한 해당 에너지 장벽에 의해 붕괴가 억제되지만, 이를 터널링할 수 있다.

alt=Apparatus for creation of superheavy elements|right|섬네일|upright=1.5|JINR 플레로프 핵반응 연구소에 설치된 두브나 기체 충전 반동 분리기를 기반으로 한 초중원소 생성 장치 개략도. 검출기 내의 궤적과 빔 집속 장치는 전자의 쌍극자 자석과 후자의 사중극자 자석으로 인해 변한다.

알파 입자는 핵자당 질량이 충분히 작아서 알파 입자가 핵을 떠나는 운동 에너지로 사용될 수 있는 에너지를 남기기 때문에 방사성 붕괴에서 흔히 생성된다. 자발 핵분열은 핵을 찢어 놓는 정전기적 반발력에 의해 발생하며, 동일한 핵이 분열하는 다양한 경우에 여러 핵을 생성한다. 원자 번호가 증가함에 따라 자발 핵분열의 중요성은 빠르게 증가한다. 우라늄(92번 원소)에서 노벨륨(102번 원소)까지 자발 핵분열 부분 반감기는 23차수만큼 감소하며, 토륨(90번 원소)에서 페르뮴(100번 원소)까지는 30차수만큼 감소한다. 따라서 초기 액체 방울 모형은 약 280개의 핵자를 가진 핵의 핵분열 장벽이 사라지면서 자발 핵분열이 거의 즉시 일어날 것이라고 제안했다. 이후 핵 껍질 모형은 약 300개의 핵자를 가진 핵이 안정성의 섬을 형성하여 자발 핵분열에 더 강하게 저항하고 더 긴 반감기로 주로 알파 붕괴를 겪을 것이라고 제안했다. 후속 발견들은 예측된 섬이 원래 예상보다 더 멀리 있을 수 있음을 시사했다. 또한 오래 지속되는 악티늄족과 예측된 섬 사이의 중간 핵이 변형되어 껍질 효과로 인해 추가적인 안정성을 얻는다는 것을 보여주었다. 더 가벼운 초중원소 핵에 대한 실험과 예상 섬에 더 가까운 핵에 대한 실험은 자발 핵분열에 대해 이전에 예상했던 것보다 더 큰 안정성을 보여주었으며, 껍질 효과가 핵에 미치는 중요성을 보여주었다.

알파 붕괴는 방출된 알파 입자에 의해 등록되며, 붕괴 생성물은 실제 붕괴 전에 쉽게 결정될 수 있다. 만약 그러한 붕괴 또는 연속적인 붕괴 시리즈가 알려진 핵을 생성한다면, 반응의 원래 생성물은 쉽게 결정될 수 있다. (붕괴 사슬 내의 모든 붕괴가 실제로 서로 관련되어 있다는 것은 이러한 붕괴의 위치에 의해 확립되며, 이는 동일한 장소에 있어야 한다.) 알려진 핵은 붕괴 에너지(또는 더 구체적으로는 방출된 입자의 운동 에너지)와 같은 붕괴의 특정 특성으로 인식될 수 있다. 그러나 자발 핵분열은 다양한 핵을 생성물로 생성하므로 원래 핵종을 딸핵으로부터 결정할 수 없다.

따라서 초중원소를 합성하려는 물리학자들이 이용할 수 있는 정보는 검출기에서 수집된 정보, 즉 입자의 검출기 도착 위치, 에너지 및 시간, 그리고 그 붕괴 정보이다. 물리학자들은 이 데이터를 분석하여 새로운 원소에 의해 발생했음이 확실하며 주장된 핵종 외의 다른 핵종에 의해 발생했을 수 없다고 결론을 내리려고 한다. 종종 주어진 데이터만으로는 새로운 원소가 확실히 생성되었다고 결론을 내리기에 불충분하며 관찰된 효과에 대한 다른 설명이 없을 수도 있다. 데이터 해석에 오류가 발생한 경우도 있다.

 역사 
 초기 예측 
19세기 말에 알려진 가장 무거운 원소는 우라늄으로, 원자 질량이 약 240(현재는 238) amu였다. 따라서 주기율표의 마지막 줄에 배치되었으며, 이는 우라늄보다 무거운 원소의 존재 가능성과 A = 240이 한계로 보이는 이유에 대한 추측을 부추겼다. 1895년 아르곤을 시작으로 비활성 기체가 발견된 후, 이 그룹의 더 무거운 구성원의 가능성이 고려되었다. 덴마크의 화학자 율리우스 톰센은 1895년에 Z = 86, A = 212를 가진 여섯 번째 비활성 기체와 Z = 118, A = 292를 가진 일곱 번째 비활성 기체의 존재를 제안했으며, 마지막 원소는 토륨과 우라늄을 포함하는 32개 원소 주기를 닫는다고 보았다. 1913년, 스웨덴의 물리학자 요한네스 뤼드베리는 톰센의 주기율표 외삽을 확장하여 원자 번호가 최대 460에 달하는 훨씬 더 무거운 원소를 포함시켰지만, 그는 이러한 초중원소가 자연에 존재하거나 발생한다고 믿지 않았다.

1914년, 독일 물리학자 리하르트 스빈네는 Z = 108 근방의 원소와 같은 우라늄보다 무거운 원소들이 우주선에서 발견될 수 있다고 제안했다. 그는 이러한 원소들이 원자 번호가 증가함에 따라 반드시 반감기가 감소하는 것은 아닐 수 있으며, Z = 98–102와 Z = 108–110 (비록 수명이 짧은 원소들에 의해 분리되더라도)에 일부 더 오래 지속되는 원소들의 가능성에 대한 추측을 불러일으켰다. 스빈네는 1926년에 이러한 예측을 발표하며, 그러한 원소들이 지구의 핵, 철운석, 또는 그린란드 빙상에 존재할 수 있다고 믿었다. 그곳에 그들은 가상의 우주 기원으로부터 갇혀 있었을 것이라고 보았다.

 발견 

1961년부터 2013년까지 네 곳의 연구소, 즉 미국의 로런스 버클리 국립연구소, 소련의 합동원자핵연구소, 독일의 GSI 헬름홀츠 중이온 연구소, 일본의 이화학연구소에서 수행된 연구는 로렌슘부터 오가네손까지의 원소들을 IUPAC–IUPAP 트랜스페르뮴 실무 그룹의 기준과 후속 합동 실무단의 기준에 따라 식별하고 확인했다. 이들 발견은 주기율표의 7주기를 완성한다. 다음 두 원소인 우누넨늄 (Z = 119)과 운비닐륨 (Z = 120)은 아직 합성되지 않았다. 이들은 8주기를 시작할 것이다.

 원소 목록 
103 로렌슘, Lr, 어니스트 로런스의 이름을 따서 명명; 때때로 포함되기도 하고 포함되지 않기도 함
104 러더포듐, Rf, 어니스트 러더포드의 이름을 따서 명명
105 더브늄, Db, 모스크바 근처 두브나 마을의 이름을 따서 명명
106 시보귬, Sg, 글렌 T. 시보그의 이름을 따서 명명
107 보륨, Bh, 닐스 보어의 이름을 따서 명명
108 하슘, Hs, 다름슈타트가 위치한 헤센주(Hassia)의 이름을 따서 명명
109 마이트너륨, Mt, 리제 마이트너의 이름을 따서 명명
110 다름슈타튬, Ds, 다름슈타트의 이름을 따서 명명
111 뢴트게늄, Rg, 빌헬름 콘라트 뢴트겐의 이름을 따서 명명
112 코페르니슘, Cn, 니콜라우스 코페르니쿠스의 이름을 따서 명명
113 니호늄, Nh, 이화학연구소가 위치한 일본(Nihon)의 이름을 따서 명명
114 플레로븀, Fl, 러시아 물리학자 게오르기 플료로프의 이름을 따서 명명
115 모스코븀, Mc, 모스크바의 이름을 따서 명명
116 리버모륨, Lv, 로렌스 리버모어 국립연구소의 이름을 따서 명명
117 테네신, Ts, 오크리지 국립연구소가 위치한 테네시주의 이름을 따서 명명
118 오가네손, Og, 러시아 물리학자 유리 오가네샨의 이름을 따서 명명

 특징 
짧은 반감기(예를 들어, 시보귬의 가장 안정한 동위원소는 14분의 반감기를 가지며, 원자 번호가 증가할수록 반감기는 감소한다)와 이들을 생성하는 핵반응의 낮은 수율 때문에, 몇 개의 원자로 이루어진 매우 작은 시료를 기반으로 기체상 및 용액 화학을 결정하기 위한 새로운 방법들이 개발되어야 했다. 주기율표의 이 영역에서는 상대론적 효과가 매우 중요해져, 채워진 7s 오비탈, 빈 7p 오비탈, 채워지고 있는 6d 오비탈이 모두 원자핵 쪽으로 수축한다. 이는 7s 전자의 상대론적 안정화를 유발하고 7p 오비탈이 낮은 들뜬 상태에서도 접근 가능하게 만든다.

103번부터 112번까지의 원소인 로렌슘부터 코페르니슘까지는 6d 계열의 전이 원소를 이룬다. 실험적 증거에 따르면 103-108번 원소는 주기율표에서의 위치에 따라 루테튬부터 오스뮴까지의 더 무거운 동족체로서 예상대로 행동한다. 이들의 이온 반지름은 5d 전이 금속 동족체와 악티늄족 유사동족체 사이의 값을 가질 것으로 예상된다. 예를 들어, Rf의 이온 반지름은 Hf (71 pm)와 Th (94 pm)의 값 사이인 76 pm로 계산된다. 이들의 이온은 또한 5d 동족체보다 편극 가능성이 낮을 것으로 예상된다. 상대론적 효과는 이 계열의 끝인 뢴트게늄(111번 원소)과 코페르니슘(112번 원소)에서 최대에 달할 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고, 초악티늄족 원소의 많은 중요한 특성은 아직 실험적으로 알려져 있지 않지만, 이론적 계산은 수행되었다.

113번부터 118번까지의 원소인 니호늄부터 오가네손까지는 7p 계열을 형성하여 주기율표의 7주기를 완성해야 한다. 이들의 화학적 성질은 7s 전자의 매우 강한 상대론적 안정화와 7p 부껍질을 두 부분으로 찢어 한 부분은 더 안정화되고(7p, 전자 2개 보유), 다른 부분은 더 불안정화되는(7p, 전자 4개 보유) 강한 스핀-궤도 결합 효과에 크게 영향을 받을 것이다. 이 영역에서는 낮은 산화수가 안정화될 것으로 예상되며, 그룹 경향이 계속될 것이다. 이는 7s 및 7p 전자 모두 비활성 전자쌍 효과를 나타내기 때문이다. 이들 원소는 상대론적 효과가 점점 더 큰 역할을 함에도 불구하고 그룹 경향을 대체로 따를 것으로 예상된다. 특히, 큰 7p 분할은 플레로븀(114번 원소)에서 효과적인 껍질 폐쇄를 초래하며, 따라서 오가네손(118번 원소)에 대해 예상보다 훨씬 높은 화학 활성을 야기한다.

오가네손은 마지막으로 알려진 원소이다. 다음 두 원소인 119번과 120번은 8s 계열을 형성해야 하며 각각 알칼리 금속과 알칼리 토금속이 되어야 한다. 8s 전자는 상대론적으로 안정화될 것으로 예상되므로, 이 그룹들의 반응성 증가 경향은 역전되어 이 원소들은 루비듐과 스트론튬과 같은 5주기 동족체와 더 유사하게 행동할 것이다. 7p 오비탈은 여전히 상대론적으로 불안정화되어 잠재적으로 이 원소들에게 더 큰 이온 반지름을 부여하고 심지어 화학적으로 참여할 수 있게 할 것이다. 이 영역에서 8p 전자 또한 상대론적으로 안정화되어 121번 원소의 바닥 상태 8s8p 원자가 전자 구성을 초래한다. 120번 원소에서 121번 원소로 갈 때 부껍질 구조에 큰 변화가 예상된다. 예를 들어, 5g 오비탈의 반지름은 120번 원소의 들뜬 [Og] 5g 8s 구성에서 25 보어 단위에서 121번 원소의 들뜬 [Og] 5g 7d 8s 구성에서 0.8 보어 단위로 급격히 감소하는데, 이를 "방사형 붕괴" 현상이라고 한다. 122번 원소는 121번 원소의 전자 구성에 추가로 7d 또는 8p 전자를 추가할 것이다. 121번과 122번 원소는 각각 악티늄과 토륨과 유사할 것이다.

121번 원소에서 슈퍼악티늄족 계열이 시작될 것으로 예상되며, 이때 8s 전자와 채워지는 8p, 7d, 6f, 5g 부껍질이 이들 원소의 화학적 성질을 결정한다. 123번 이후 원소에 대한 완전하고 정확한 계산은 상황의 극심한 복잡성으로 인해 아직 불가능하다. 5g, 6f, 7d 오비탈은 거의 동일한 에너지 준위를 가져야 하며, 160번 원소 부근에서는 9s, 8p, 9p 오비탈 또한 거의 동일한 에너지를 가져야 한다. 이는 전자 껍질이 혼합되어 구역 개념이 잘 적용되지 않게 하고, 또한 이러한 원소들을 주기율표에 배치하는 것을 매우 어렵게 만들 새로운 화학적 특성을 초래할 것이다.

 초악티늄족 원소 너머 
Z = 126을 넘는 원소들의 이름으로 초초악티늄족 원소가 제안되었다. 다른 자료에서는 Z = 164 근처의 원소를 초극중원소라고 부르기도 한다.

 같이 보기 
 보스-아인슈타인 응축
 안정성의 섬

 내용주 

 각주 

 참고 문헌 
 pp. 030001-1–030001-17, pp. 030001-18–030001-138, Table I. The NUBASE2016 table of nuclear and decay properties
 
 
 
 

분류:핵물리학
분류:인공 원소
분류:원소족