안정성의 섬
1. 개요
Island of stability.
원소의 중성자를 바탕으로 원소가 얼마나 안정되어 있는가를 나타낸 이론.
원소는 원자번호가 커질수록 더 많은 중성자가 필요하고 (전자기적 반발때문에) 더 불안정해진다. 그래서 비스무트이상에서는 다 불안정하다.[1] 하지만 어쩌면 원자번호가 더 커지면 불안정하기는 하지만 특정한 P와 P+N값에 한해 안정성이 좀더 높아질 수 있다는 생각이다.
2. 상세
안정도를 기준으로 높이를 매기고, 원자번호(양성자수) 중성자수를 좌표로 매기면 안정된 동위원소의 산이 있고, 비스무트를 넘어서 토륨정도까지 낮은 고개가 있다가 다시 낮은 산이 있다. 거기서 다시 바다가 펼쳐지는데, 다시 안정성이 높은 원자핵들이 나타난다면 마치 섬과 같은 모양을 띄기 때문에 붙여졌다.
- 현재 알려진 안정적인 원자중 가장 무거운 것은 납이다. 다른 안정 원자는 동위원소 문서에서 확인 가능하다. 특정한 납 동위원소는 붕괴하지 않는다.
- 비스무트-209도 안정원소로 알려졌으나, 붕괴하는 것으로 확인되었다. 다만, 반감기가 약 2000경년 으로 우주 나이가 무색할 만큼 길다.
- 토륨-232의 반감기는 약 140억년이다.
- 우라늄-238의 반감기는 약 44억년이다.
- 플루토늄-244의 반감기는 약 8000만년이다.
- 퀴륨-247의 반감기는 약 1560만년이다.
- 캘리포늄-251의 반감기는 약 900년이다.
이 이후로는 년 단위는 커녕 '일'단위를 반감기로 가지는 원소도 극히 적다. 현재까지 알려진 가장 무거운 원소인 오가네손은 반감기가 겨우 0.89밀리초 이다.
원자핵이 무거울수록 불안정하지만, 원자핵에서 낮은 에너지는 양성자와 중성자에 따라 전자가 차듯 준위를 이루기 때문에 이게 특정한 숫자가 되면 안정적일 수 있다. 이 숫자를 마법수라고 한다.그런데, 오가네손 이후의 8주기 이상 원소 중에서 어쩌면 양성자와 중성자가 모두 마법수를 이루는 곳에 안정성의 섬이 있을 수도 있다고 생각하고 있다. 과학자들은 원자번호 112~126번 부근에서[2] 상대적으로 안정한 새 원소를 찾기 위해 노력을 이어가고 있다. 이 원소들은 8주기 원소일 뿐 아니라 현재까지 '''자연계에서 한 번도 발견된 바 없는''' g오비탈의 화학에 대한 것이기 때문에 화학자에게도 흥미로운 상태. 다만 수십년 전에는 진짜 안정한 원소가 있을 것이란 예상도 많았지만 요즘 쌓인 증거에 의하면 비교적 반감기가 길지만 모두 방사성 원소(수 분~수 일 이내)일 것으로 예측되고 있어서 그 원소들을 일단 몰 단위로 모아서 반응을 시키는 게 얼마나 쉬울지는...[3] 그러나 수 년 이상의 긴 반감기를 가질 것이라는 예측도 여전히 존재하는 등 예측마다 편차가 있으므로 자세한 반감기는 해당 동위원소들이 발견되어야 확인이 가능할 것으로 보인다.
이 섬의 중앙에 있을 것으로 예측되는 동위 원소는 플레로븀-298, 운비닐륨-304, 운비헥슘-310 등이 있다. 그러나 이러한 동위 원소들은 중성자의 수가 많기 때문에 표적과 발사체로 사용할 두 원소가 모두 중성자를 많이 가지고 있을 필요가 있지만 발사체로 사용할 원소중 안정적이며 중성자가 많은 동위원소가 거의 없다는 것이 걸림돌이다. 이에 대한 대안으로 우라늄 등 무거운 원소끼리 서로 충돌시켜 원자핵 간 양성자와 중성자를 교환하는 반응을 통해 이러한 원소들을 생성하는 방법이 2018년에 시도되었으나 멘델레븀 등 비교적 가벼운 원소를 합성하는데만 그쳤으며 안정성의 섬에 도달하기 위해서는 더욱 무거운 원소끼리 충돌을 시킬 필요가 있을 것으로 보인다. 만일 이러한 동위원소들이 특별히 더 안정적이라면 부분적으로 합쳐진 원자핵이 안정성의 섬에 위치한 동위원소가 되려는 경향을 보일지도 모른다.
운헥스쿼듐-482(164번 원소, Uhq) 또한 매직넘버를 가질 것으로 예상되며, 이 주변에 2번째 안정성의 섬이 있을 것으로 보인다. 그러나 첫번째 안정성의 섬에 있는 동위원소도 합성이 어려운 상황이기 때문에 가까운 미래에는 발견되기 어려울 가능성이 크다.
원자량 300 이상의 원자핵에서는 업 쿼크와 다운 쿼크가 양성자와 중성자에 갇혀있지 않고, 하나의 덩어리로 뭉친 쿼크 물질 원자핵이 생성될 것이라는 "안정성의 대륙" 이론도 있다. 이렇게 되면 전자기적 반발력이 원자핵을 분해하기 어렵게 된다. 또한 쿼크 물질 원자핵이 붕괴하지 않는 최소 원자량은 39(쿼크 수 117) 정도일 것이라는 예상도 있으므로 이를 생성하고 조작할 방법을 찾는다면 아스타틴과 같이 초중원소보다 가벼움에도 불구하고 양성자와 중성자의 조합만으로는 매우 불안정한 원소들의 안정 버전을 만들 수 있을지도 모른다.
3. 자연에서의 존재 가능성
이러한 동위 원소들도 초신성 폭발이나 중성자별 충돌에서 생성될 것으로 추측되고 있다. 그러나 원자량 270~280 사이에 위치한 쉽게 핵분열하는 동위원소들이 장벽 역할을 하여 극히 미량만 생성될 가능성이 높다.
우라늄/토륨 등의 천연 광물에서 미량 발견되었다는 보고도 있으나 아직 확실히 증명된 것은 없으며, 실험 오류일 가능성이 있다. 또한 감람석 등 일부 광물에는 비정상적으로 강한 방사선의 흔적이 남아 있는 경우가 있는데, 110~130번의 원자 번호와 최소 3000년 이상의 반감기를 가지는 원소의 붕괴로 발생한 것이라는 추측이 있다. 아직까지 이들을 지구에서 발견하지 못한 이유는 초신성에서 생성되는 양이 너무 적음은 물론 반감기가 지구 나이보다 월등히 짧아서 절멸 핵종이 되었기 때문으로 보인다.
HD 101065[4]라는 항성의 스펙트럼에서는 플루토늄, 아메리슘, 아인슈타이늄 등 항성에서 직접 합성되었다기에는 반감기가 너무 짧은 초우라늄 원소가 여럿 발견되었는데, 이것이 안정성의 섬에 있는 동위원소가 붕괴한 결과라는 가설이 있다. 이 가설이 맞을 경우 해당 항성의 스펙트럼에서 미확인 원소가 발견될 가능성도 있을 것이다.
[1] 비스무트부터 반감기가 존재하며, 예외로 망가니즈족인 테크네튬(43번)과 란타넘족인 프로메튬(61번)이 불안정하다.[2] 과학동아에서는 (양성자,중성자) 순으로 (126,184) 설을 채택했다.[3] 만약 반감기가 일부 예측처럼 수천 년~수백만 년 수준으로 길더라도 원소 합성의 난이도를 감안하면 눈에 보일 정도의 양조차 모으기 어려울 가능성이 높다. 또한 화학 실험은 원자 단위에서도 진행 가능하며, 반감기가 수 초 이상이면 되므로 화학 실험이 주 목적이라면 원소들을 몰 단위로 모을 필요는 없다. 이미 해당 방법을 통해 플레로븀까지 화학 성질이 연구되었다.[4] 프지빌스키의 별(Przybylski's Star)라는 이름으로 불리기도 한다.