우눈셉튬(ununseptium, Uus)

[freedom]

원자번호 117번 원소 우눈셉튬(ununseptium, Uus)은 주기율표에서 7주기 17족(할로겐족, 7A족)에 속하는 원소이다. 2010년에 러시아 두브나에서 러시아와 미국의 공동 연구진이 처음으로 합성하였다고 보고하였는데, 러시아의 합동핵연구소와 첨단 원자로 연구소, 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소, 오크릿지 국립연구소, 밴더빌트 대학과 네바다 대학 라스베가스 캠퍼스의 과학자들이 이 연구에 참여하였다. 아직 새로운 원소로 공식 인정되지 않아 원자번호에 따른 잠정적 이름이 쓰이고 있는데, 새로운 원소로 인정되고 정식 이름이 정해진다면 원소 이름에는 할로겐족 원소의 접미어 ‘ine’이 붙여질 것이 예상된다. 지금까지 질량수 293과 294의 두 가지 동위원소 원자 8개가 합성·검출되었다. 가장 무거운 할로겐족 원소로, 휘발성인 이원자 분자로 존재할 것으로 예상되는데, 몇 가지 성질들은 전형적인 할로겐 원소와는 상당히 다를 것이 예상된다. 우눈셉튬에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

원자번호 117번, 우눈셉튬

우눈셉튬(ununseptium)¹⁾은 원자번호 117번의 원소로, 아직 정식 이름은 없고 원자번호에 따른 IUPAC의 잠정적 원소 이름과 기호(Uus)가 사용된다. 주기율표에서 7주기 17족(할로겐족) 원소인데, 17족 원소로는 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At)도 있다. 우눈셉튬은 가장 무거운 할로겐 원소로, 아스타틴 바로 아래에 있으므로 에카-아스타틴(eka-astatine)으로도 알려져 있다.

수치로 보는 우눈셉튬

우눈셉튬은 원자번호 117번의 원소로, 이의 발견이 아직 공식적으로 인정되지는 않았다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f¹⁴6d¹⁰7s²7p⁵ ([Rn]5f¹⁴6d¹⁰7s²7p⁵)로 예측된다. ²⁹³Uus와 ²⁹⁴Uus의 2가지 동위원소가 ²⁴⁹Bk와 ⁴⁸Ca 간의 핵 융합 반응으로 합성되었으며, 이들의 반감기는 각각 14 ms와 78 ms로 보고되었다. 녹는점과 끓는점은 각각 350~550℃와 550~610℃ 범위에 있을 것으로 예상되고, 밀도와 원자반경은 각각 7.1~7.3 g/cm³와 약 156 pm로 예측되었다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 742.9와 약 1850 kJ/mol로 예측되었다. -1, +1, +3, +5의 산화상태가 가능하며, +1과 +3의 상태가 보다 안정하고, -1의 상태는 불안정할 것으로 예상된다.

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원자번호 117번 우눈셉튬.

우눈셉튬의 원소정보

우눈셉튬은 미국과 러시아의 협동 연구진이 2009년에 러시아 두브나(Dubna)에 위치한 합동핵연구소(JINR)에서 버클륨-249

(²⁴⁹Bk) 표적에 가속된 칼슘-48(⁴⁸Ca) 이온을 쪼여 ²⁹⁴Uus 원자 1개와 ²⁹³Uus 원자 5개를 검출하고 이들의 α 붕괴 사슬을 관찰함으로써 처음 발견하였으며, 이 결과는2010년 4월에 학술지에 보고되었다. 현재로는 이들 두 가지 동위원소만 알려져 있으며, 이들의 반감기는 각각 78 ms와 14 ms이다.

우눈셉튬의 성질은 방사성 붕괴 특성 이외에는 아직 측정된 것이 없는데, 휘발성인 이원자 분자(Uus₂)로 존재할 것으로 예상된다. 녹는점, 끓는점, 첫 번째 이온화 에너지 등은 할로겐족 원소의 주기적 경향을 따르나, 몇 가지 성질은 상당히 다를 것이 예상된다. -1, +1, +3, +5의 산화상태가 가능한데, +1과 +3의 상태가 특히 안정할 것으로 예상된다.

우눈셉튬의 발견과 역사

2004년에 러시아 두브나(Dubna)에 있는 합동핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research, JINR)의 오가네시안(Yuri Organessian) 연구팀은 우눈셉튬(Uus)을 원자번호 97번인 버클륨(Bk) 표적에 원자번호 20번인 칼슘 동위원소 ⁴⁸Ca를 충돌시켜 합성하고자 하는 계획을 세우고 전세계에서 버클륨을 유일하게 생산하는 미국의 오크릿지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)에 버클륨을 제공해 줄 것을 요청하였다. 그러나 ORNL 측은 이의 생산량이 부족하여 제공할 수 없다고 통보하였으며, 따라서 우눈셉튬의 합성 시도는 뒤로 미뤄지게 되었다. 2008년에 버클륨 생산을 다시 시작한 ORNL 측은 2009년 여름에 22 mg의 ²⁴⁹Bk를 5개의 납 용기에 넣어 러시아 모스크바로 공수하였다. 참고로, ²⁴⁹Bk는 가장 얻기 쉬운 버클륨 동위원소로, 반감기가 330일이며 원자로에서 플루토늄-239(²³⁹Pu)에 고선속의 중성자를 쪼여 합성된다.

버클륨-249(²⁴⁹Bk)를 생산·제공하여 우눈셉튬 합성을 가능하게 한 미국 오크릿지 국립연구소

공수된 ²⁴⁹Bk는 모스크바에서 디미트로프그라드(Dimitrovgrad)에 있는 첨단원자로연구소(Research Institute for Advanced Reactors)로 옮겨졌는데, 이곳에서는 ²⁴⁹Bk를 엷은 타이타늄 박막에 고정시킨 후 이 시료를 두브나의 JINR에 전달하였다. JINR에는 초중원소 합성에 사용되는, 세계에서 가장 강력한 입자 가속기 U400이 설치되어 있었는데, 두브나 팀은 2009년 6월에 이 입자 가속기를 써서 ²⁴⁹Bk 표적에 빛 속도의 약 10%로 가속된 ⁴⁸Ca 이온을 1 초당 1x10¹²개 이상 충돌시켜 우눈셉튬을 합성하는 실험을 시작하였다. 실험은 주로 JINR 산하 플레로프 핵반응연구소(FLNR) 연구팀이 하였으며, 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 연구진은 데이터 분석을 담당하였다. 약 8개월 간의 실험 끝에 에너지가 252 MeV인 ⁴⁸Ca 이온을 충돌 시킨 실험에서 ²⁹³Uus 원자 5개를, 그리고 에너지(속도)가 이보다 약간 낮은 247 MeV ⁴⁸Ca 이온을 쪼인 실험에서 ²⁹⁴Uus 원자 1개를 검출하고, 이들에서 시작하여 각각 원자번호 111번 뢴트겐늄(Rg)과 105번 드브늄(Db)까지 이르는 α 붕괴 사슬을 관찰하였다. 이 결과는 2010년 4월 9일에 학술지(Physical Review Letters)에 발표되었다.

이들이 관찰한 우눈셉튬 동위원소들의 붕괴 사슬은 그 사이에 있는 중간 생성물들이 모두 새롭게 발견된 것들이었다. 따라서 새로운 원소 발견을 검증하여 인정하는 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)/국제순수·응용물리연맹(IUPAP)의 합동실무위원회(JWP)는 우눈셉튬의 발견 자료를 다른 실험 결과와 객관적으로 비교하여 검증할 수가 없었다.

 2010년에 발표된 117번 원소 우눈셉튬 동위원소들의 붕괴 사슬. 숫자는 반감기와 붕괴 에너지를 나타내는데, 위에 있는 검은색 숫자는 실험적으로 얻은 것이고, 아래의 푸른색 숫자는 이론적으로 계산된 것이다. 

이후, 두브나 팀은 우눈셉튬의 발견을 확인하는 실험을 추가로 수행하였는데, 2011년에는 ²⁹³Uus의 딸 핵의 하나인 원자번호 115번 우눈펜튬 동위원소 ²⁸⁹Uup를 원자번호 95번 원소 아메리슘 동위원소 ²⁴³Am에 ⁴⁸Ca 이온을 충돌시키는 직접 반응에서 검출하고, 이의 α 붕괴 사슬 특성이 ²⁹³Uus에서 관찰한 것과 잘 일치함을 확인하였다. 또 2012년에는 ²⁴⁹Bk/⁴⁸Ca 반응을 반복하여 2009년 실험에서와 같은 결과를 얻었고, ²⁹³Uus의 붕괴 사슬에서 원자번호 109번 마이트너륨의 새로운 동위원소 ²⁷⁷Mt를 발견하였다. 이들 결과들은 아직 합동실무위원회(JWP)에서 검토되지 않았는데, 만약 이것들이 새로운 원소 발견에 대한 까다로운 검증 과정을 통과한다면, 우눈셉튬은 우눈펜튬과 함께 새로운 원소로 공식 인정받게 되고 정식 이름이 지어질 전망이다.

원소 이름

117번 원소는 아직 원소 발견이 공식적으로 인정되지 않아 정식 이름은 없는데, 주기율표에서의 위치에 따른 멘델레예프식 명명 방식에 따라 에카-아스타틴(eka-astatine: 아스타틴 바로 아래 원소) 혹은 드비-아이오딘(dvi-iodine: 아이오딘 아래에 있는 두 번째 원소)으로 부를 수 있다. IUPAC의 잠정적 계통적 원소 명명법에 따른 원소 이름은 우눈셉튬(ununseptium)이고 원소 기호는 Uus이다. 그러나 많은 과학자들은 이를 무시하고 단순히 ‘117번 원소’라 부르고, 원소 기호는 ‘117’로 표기하기도 한다. 우눈셉튬의 접미어 ‘ium’은 IUPAC의 잠정적 원소 이름 명명 규칙에 따라 정식 이름이 정해지지 않은 새로운 또는 미발견 원소들에 공통적으로 붙이는 접미어인데, 정식 이름에는 할로겐 원소의 접미어 ‘ine’이 붙여질 것이 거의 확실시 된다. 두브나 팀은 이 원소에 대한 정식 이름을 아직 제안하지 않았다.

물리 및 화학적 성질

우눈셉튬은 지금까지 발견된 원소 중 두 번째로 원자번호가 크다. 방사성 원소인데, 검출된 원자의 수가 몇 개에 불과하고 반감기도 아주 짧기 때문에 방사성 붕괴 성질 이외에 실제로 측정된 성질은 없다. 그러나 이론적 계산과 원소들의 주기성에서 여러 성질들이 예측되었다. 대체로 녹는점은 350~550℃, 끓는점은 550~610℃ 범위에 있는 것으로 예측되었는데, 이들 값들은 주기율표에서 바로 위에 있는 아스타틴(At)에 대해 예측된 녹는점 302℃과 끓는점 309~370℃(각각230℃와 411℃으로 측정·보고된 것도 있음)보다 약간 높다. 밀도와 공유결합 반경은 각각 7.1~7.3 g/cm³와 약 156 pm로 예측되었는데, 아스타틴에 대해 예측된 값들은 각각 6.2~6.5 g/cm³와 150 pm이다.

우눈셉튬의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>

17 족(할로겐족) 원소들의 최외각 전자 배치는 ns²np⁵로, 우눈셉튬의 최외각 전자배치는 7s²7p⁵이다. 상대론적 효과로 인해 7s² 전자는 매우 안정화되어 있다. 이론적 계산에 따르면, 7p전자는 낮은 에너지의 2개와 높은 에너지의 3개로 나뉘어져 있으며, 이들 두 에너지 준위 차이는 9.8 eV로 매우 크다. 아스타틴의 6p 전자도 이와 유사하게 에너지가 나뉘어지는데, 이 때의 에너지 간격은 우눈셉튬에서보다 훨씬 작은 3.8 eV이다. 양자화학자들은 이와 같은 p전자의 에너지 갈라짐을 방위양자수(azimuthal quantum number 혹은 angular momentum quantum number, l)가 1에서 1/2과 3/2로 변하는 것으로 보며, 우눈셉튬의 최외각 전자배치를 7s²7p_1/2²7p_3/2³로 나타내기도 한다.

17족 원소들의 원자는 1개의 전자를 받아들여 비활성 기체와 같은 안정한 전자배치를 하는 경향이 있다. 따라서 다른 원소들과 산화상태가 -1인 염을 만들거나, 다른 원자와 한 쌍의 전자를 공유하여 이원자 분자(X₂)로 존재하는데, 이러한 경향은 17족에서 아래로 갈수록 약해진다. 우눈셉튬도 Uus₂형의 이원자 분자를 만들 수 있으나, 안정성은 낮을 것으로 예상되며, 또한 -1가 산화상태도 상당히 불안정할 것이 예상된다. 우눈셉튬은 다른 할로겐 원소들과 마찬가지로, +1, +3, +5의 산화상태도 가질 수 있는데, +1 과 +3의 상태가 특히 안정하고 +5가 상태는 2개의 7p_1/2전자가 안정화되어 있으므로 흔하지는 않을 것으로 예상된다. 플루오린과는 UusF₅와 UusF₇과 같은 높은 산화상태 화합물도 만들 수 있을 것으로 여겨진다. 한편, 원자가껍질 전자쌍 반발 이론(valence shell electron pair repulsion theory, VSEPR theory)²⁾에서 예측되듯이, 알려진 할로겐 원소들의 플루오르화물(AF₃: A는 할로겐)들은 굽어진 T-형 구조를 갖는다. 그러나, UusF₃는 7s 전자와 7p_1/2전자가 안정화되어 결합에 참여하기 어렵기 때문에 3각형 구조를 가질 것이 예상된다.

원자가껍질 전자쌍 반발이론(Valance Shell Electron Pair Repulsion Theory, VSEPR theory)

분자의 구조를 예측하는 이론으로, 루이스 구조식에 나타난 중심원자의 각 전자쌍들은 서로 반발하므로 분자는 이들 전자쌍들이 가장 멀리 떨어진 구조를 갖는다는 것이다. 이 이론에 따르면, 중심원자 A에 3개의 원자 X가 결합된 AX₃ 분자는 A에 고립 전자쌍(비공유 전자쌍, lone pair electron) E가 없으면 평면삼각형(예로 BF₃), E가 1개면 삼각 피라미드(예로 NH₃), E가 2 개면 T-형(예로 IF₃) 구조를 갖는다.

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IF₃의 실제 구조와 UusF₃의 예상 구조. IF₃처럼 다른 할로겐 원소들의 삼플루오르화물이 굽어진 T-형 구조를 하는 것과는 달리, 우눈셉튬의 삼플루오르화물은 대략적으로 3각형 구조를 할 것이 예상된다.

동위원소와 방사성 붕괴 성질

아직 공식적으로 인정되지는 않았으나, 지금까지 알려진 우눈셉튬의 동위원소는 ²⁹³Uus와 ²⁹⁴Uus의 두 가지이다. 이들은 ²⁴⁹Bk 표적에 가속된 ⁴⁸Ca 이온을 충돌시키는 핵 융합 반응으로 합성되었다. 반감기는 ²⁹³Uus가 14 ms(1ms=0.001초), ²⁹⁴Uus가 78 ms로 보고되었는데, 단지 몇 개의 원자 수명에서 계산된 것이어서 불확실성이 크다. ²⁹³Uus와 ²⁹⁴Uus는 모두 α 붕괴를 하여 각각 115번 원소 ²⁸⁹Uup와 ²⁹⁰Uup가 된다.

원자핵의 안정성과 인공 원소의 합성

우눈셉튬은 ⁴⁸Ca 이온을 ²⁴⁹Bk 표적에 충돌시켜 2009년에 처음 합성되었는데, 이와 같은 합성 계획은 2004년에 이미 마련되었으나 ²⁴⁹Bk를 확보하지 못해 5년을 기다려야 했다. 왜 다른 충돌이온과 표적 쌍을 사용한 합성이 시도되지 않았는지를 이해하기 위해 원자핵의 안정성과 인공원소의 합성에 대해 간단히 살펴보기로 한다.

원자핵의 안정성은 이에 들어있는 양성자 수(Z)와 중성자 수(N)에 따라 달라진다. 양성자 수와 중성자 수를 합한 것이 원자의 질량수이며, 원자의 양성자 수는 원자번호와 같다. 원소에 따라 약간의 차이가 있으나, 대략적으로 원자번호 2에서 20까지의 원소들은 Z=N인 핵(질량수가 원자번호의 두 배인 핵)이 안정하며, 이후에는 원자번호(양성자 수)가 클수록 안정한 동위원소는 Z에 비해 N가 커지는데, 자연계에 존재하는 안정한 동위원소 중 가장 질량수가 큰 것은 납-208(²⁰⁸Pb, Z=82, N=126)로 N/Z=1.54이다. 어떤 한 원소의 안정한 동위원소보다 N/Z 비가 큰(중성자가 과다한) 동위원소는 β^- 붕괴(이 경우 Z는 1 증가, N은 1 감소)를 하고 안정한 동위원소로 전환되며, N/Z 비가 작은(중성자가 과소한) 동위원소는 양전자 방출(β⁺) 또는 전자포획(이들 경우는 Z는 1 감소, N은 1증가)을 하고 안정한 동위원소로 전환된다. 핵의 안정성은 또한 Z와 N의 짝-홀수 여부에 따라 달라지는데, 270개의 안정한 동위원소들을 분석한 결과 Z와 N이 모두 짝수인 것이 163개, Z는 짝수이고 N이 홀수인 것이 53개, Z는 홀수이고 N이 짝수인 것이 50 개이며, 모두 홀수인 것은 4개에 불과한 것으로 나타났다.

원자핵의 양성자 수(Z)와 중성자 수(N)에 따른 동위원소들의 안정성. 물결 모양의 검은 선은 안정한 동위원소들이며, 푸른색은 β^- 붕괴, 주황색은 β⁺ 붕괴, 노랑색은 α 붕괴를 하는 동위원소 영역이다. 검은 실선은 질량수가 원자번호의 2배인 N=Z를 나타낸다. <출처 : (cc) Napy1kenobi at Wikimedia.org>

원자번호가 83보다 큰 원소들은 방사성 원소들인데, 이들 원소들의 동위원소들에 대한 안정성에서도 대체로 앞의 경향이 관찰된다. 즉 발견 또는 합성된 동위원소들은 대체로 원자번호가 클수록 N/Z가 커진다. 43번 테크네튬(Tc)과 61번 프로메튬(Pm)을 제외한 92번 우라늄(U)까지의 원소들은 자연계에서 먼저 발견되었으며, 93번 넵투늄(Np) 이후의 원소들은 인공적으로 합성되어 발견되었는데 이들을 초우라늄 또는 인공원소라 부른다. 테크네튬, 프로메튬, 넵투늄, 94번 플루토늄(Pu)은 뒤에 자연계에도 미량 존재함이 밝혀졌다. 인공원소 중에서 원자번호 100번 페르뮴(Fm)까지의 원소들은 원자로에서 우라늄(U) 또는 플루토늄(Pu)에 중성자를 쪼이면 중성자를 흡수한 원자핵의 β^- 붕괴를 통해 만들어진다. 그리고 이후의 초페르뮴 원소들은 이온 가속기를 사용하여 한 원소의 표적에 다른 원소의 이온을 충돌시켜 합성하는데, 표적/충돌이온의 복합 핵에서 1~5 개의 중성자가 방출되면서 안정화된다. 이를 핵 융합 반응이라 부를 수 있는데, 이때 표적과 충돌이온의 원자번호의 합은 새로 생성된 원소의 원자번호와 같다(드물게는 양성자나 α 입자가 방출되는 경우도 있다).

핵 융합 반응은 소위 말하는 콜드퓨젼(cold fusion)과 핫퓨전(hot fusion)으로 구분된다. 콜드퓨전은 ²⁰⁸Pb나 ²⁰⁹Bi을 표적으로 사용하며, 복합 핵에서 1-2개의 중성자만 방출되는데, 현재 이 방법으로는 원자번호 113번 우눈트륨(Uut)까지만 얻어졌다. 핫퓨전은 원자번호 89~103번인 악티늄족 원소를 표적으로 사용하는데, 복합된 핵에서 3~5개의 중성자가 방출된다. 108번 이후의 인공 원소들의 경우, 발견된 동위원소 들 중 수명이 가장 긴 동위원소는 질량수가 가장 크거나 두 번째로 큰 동위원소인데, 이는 N/Z 비가 이보다 더 큰, 즉 원자번호에 비해 중성자가 충분히 많은 동위원소를 합성할 수 없었기 때문으로 여겨진다. 이 점은 수명이 긴 초중원소 동위원소를 얻기 위해서는 표적과 충돌이온을 될 수 있는 한 N/Z 비가 큰(과량의 중성자가 포함된) 것으로 선택해야 함을 시사한다. 그리고 기본적으로 핵 합성에 사용하는 이들 표적과 충돌이온은 안정하거나 반감기가 충분히 길고, 비교적 쉽게 얻을 수 있는 것들이어야 함은 물론이다. 악티늄족 원소(원자번호 89~103인 원소)들은 다른 사용 가능한 원소들에 비해 N/Z 비가 크므로, 긴 반감기의 악티늄 원소들이 표적으로 바람직하다. 표적 원소와 충돌이온 중 하나가 선택되면, 다른 하나는 자동적으로 결정되는데, 표적 원소와 충돌이온의 원자번호의 합이 합성하고자 하는 원소의 원자번호이어야 하기 때문이다. 바람직한 충돌 이온으로는 과다 중성자(N-Z)가 많고 안정한 가장 가벼운 원소인 ⁴⁸Ca(Z=20, N=28: N-Z=8)이 있는데, 이는 천연 칼슘의 0.187 몰 %를 차지하여 얻기가 비교적 쉬우며, 반감기는 10¹⁹년 이상으로 안정하다. 117번 원소 우눈셉튬을 ⁴⁸Ca를 충돌이온으로 사용하여 합성하기 위해서는 표적으로 원자번호 97인 버클륨(Bk)을 사용하여야 하는데, 가장 쉽게 얻어지는 동위원소 ²⁴⁹Bk이 반감기가 330일로 크게 길지 않으므로 모든 조작이 신속하게 이루어져야 한다. ⁴⁸Ca와 같은 수의 과다 중성자를 갖고 안정한 그 다음 원소는 ⁶⁸Zn(Z=30, N=38: N-Z=8)인데, 이를 충돌이온으로 사용하여 우눈셉튬을 합성하기 위해서는 표적으로 원자번호 87번인 프랑슘(Fr)을 사용하여야 하나, 가장 안정한 프랑슘 동위원소의 반감기가 22분에 불과해 사용할 수가 없다. 다른 원소를 충돌이온으로 사용하는 우눈셉튬의 합성도 고려될 수 있는데, 이 경우에는 반응이 성공한다 하더라도 질량수가 작고 따라서 수명이 짧은 동위원소가 생성될 것이다. 이처럼 원자번호가 큰 초중원소들을 합성하는데 쓰일 수 있는 표적과 충돌이온의 종류가 극히 제한적이며, 이는 곧 이들의 합성을 어렵게 혹은 불가능하게 하는 요인이 된다.

이론적으로 예언된 ‘안정성의 섬’에 존재할 것으로 여겨지는 수명이 긴 초중원소들도 양성자의 수에 비해 중성자의 수가 아주 많은 원소들이어서, 이들을 핵 융합 반응으로 합성하는데 필요한 표적과 충돌 이온을 현재의 방법으로는 얻을 수가 없다. 따라서 이들 원소들을 얻기 위해서는 새로운 합성 방법이 필요한데, 이는 아직 개발되지 않았다(네이버캐스트 플레로븀 참조).

우눈셉튬의 합성

지금까지 우눈셉튬의 합성에 쓰인 핵 융합 반응은 ²⁴⁹Bk 표적에 ⁴⁸Ca을 충돌시키는 것이 유일한데, 이 반응에서 ²⁹³Uus와 ²⁹⁴Uus가 검출되었다.

이 반응은 2009년에 러시아 두브나의 FLNR에서 처음 수행되었는데, 빔 에너지 252 MeV에서는 x=4에 해당되는 ²⁹³Uus 원자 5개가, 그리고 247 MeV에서는 x=3에 해당되는 ²⁹⁴Uus 원자 1개가 검출되었으며, 이들의 붕괴 사슬이 관찰되었다.

몇 가지 표적/충돌이온 쌍에 대해 우눈셉튬의 생성 가능성이 이론적으로 계산되었는데, 기대되는 수율이 높은 것부터 적으면 ²⁴⁹Bk/⁴⁸Ca(생성물 ²⁹⁴Uus), ²⁴⁸Cm/⁴⁵Sc(생성물 ²⁸⁹Uus), ²⁴⁶Cm/⁴⁵Sc(생성물 ²⁸⁷Uus), ²⁴⁷Bk/⁴⁸Ca(생성물 ²⁹²Uus), ²⁴⁴Pu/⁵¹V(생성물 ²⁹²Uus), ²⁰⁹Bi/⁷⁹Se(생성물 ²⁸⁷Uus) 등이다. 이들 외에도 원자번호 117번의 복합 원자핵을 생성할 수 있는 표적과 충돌이온의 조합으로 ¹⁵³Eu/¹³⁶Xe, ²⁰⁸Pb/⁸¹Br, ²⁰⁹Bi/⁸²Se, ²³²Th/⁵⁹Co, ²³¹Pa/⁵⁸Fe, ²³⁸U/⁵⁵Mn, ²³⁷Np/⁵⁴Cr, ²⁴³Am/⁴⁵Sc, ²⁵⁰Cm/⁴⁵Sc, ²⁴⁹Cf/⁴¹K, ²⁵²Cf/⁴¹K, ²⁵³Es/⁴⁰Ar 등이 있는데, 만약 이들 복합 원자핵이 안정화된다면 우눈셉튬의 동위원소가 생성될 수 있을 것이다. 그러나 이들 중에서 ²⁴⁹Bk/⁴⁸Ca 조합 외에는 아직 시도되지 않았다.

한편, 119번 이후의 원소들이 아직 발견되지 않았으므로, 보다 무거운 원소의 붕괴 생성물로 우눈셉튬을 검출한 경우는 아직 없다.

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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발행2014.03.05

주석

1수치로 보는 우눈셉튬

우눈셉튬은 원자번호 117번의 원소로, 이의 발견이 아직 공식적으로 인정되지는 않았다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f¹⁴6d¹⁰7s²7p⁵ ([Rn]5f¹⁴6d¹⁰7s²7p⁵)로 예측된다. ²⁹³Uus와 ²⁹⁴Uus의 2가지 동위원소가 ²⁴⁹Bk와 ⁴⁸Ca 간의 핵 융합 반응으로 합성되었으며, 이들의 반감기는 각각 14 ms와 78 ms로 보고되었다. 녹는점과 끓는점은 각각 350~550℃와 550~610℃ 범위에 있을 것으로 예상되고, 밀도와 원자반경은 각각 7.1~7.3 g/cm³와 약 156 pm로 예측되었다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 742.9와 약 1850 kJ/mol로 예측되었다. -1, +1, +3, +5의 산화상태가 가능하며, +1과 +3의 상태가 보다 안정하고, -1의 상태는 불안정할 것으로 예상된다.

2원자가껍질 전자쌍 반발이론(Valance Shell Electron Pair Repulsion Theory, VSEPR theory)

분자의 구조를 예측하는 이론으로, 루이스 구조식에 나타난 중심원자의 각 전자쌍들은 서로 반발하므로 분자는 이들 전자쌍들이 가장 멀리 떨어진 구조를 갖는다는 것이다. 이 이론에 따르면, 중심원자 A에 3개의 원자 X가 결합된 AX₃ 분자는 A에 고립 전자쌍(비공유 전자쌍, lone pair electron) E가 없으면 평면삼각형(예로 BF₃), E가 1개면 삼각 피라미드(예로 NH₃), E가 2 개면 T-형(예로 IF₃) 구조를 갖는다.

자료출처 :  네이버캐스트