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 납 이후의 원소는 전부 불안정하다.[1] 하지만 어쩌면 원자번호가 더 커지면 불안정하기는 하지만 특정한 P와 P+N값에 한해 안정성이 좀 더 높아질 수 있다는 이론이다.
2. 발상
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| 원자 안정도 그래프. 가로축이 중성자, 세로축이 양성자다. 빨간 색에 가까울수록 안정한 입자. |
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| 위의 그래프를 기반으로 그려진 '안정성의 섬' 항해도. |
안정도를 기준으로 높이를 매기고, 원자번호(양성자수)와 중성자수를 좌표로 매기면 전반적으로 양성자수와 중성자수가 늘어날수록 안정성이 떨어지는 가운데 특정한 양성자수/중성자수 비율을 중심으로 안정된 동위원소의 산이 있다. 붕괴하지 않고 안정한 마지막 원소인 납 이후로, 폴로늄에서 시작하여 악티늄정도까지 안정성이 낮은 고개가 있다가 다시 낮은 산이 있다.[2] 아인슈타이늄 이후로는 다시 안정성이 극히 떨어지는 불안정의 바다가 펼쳐진다.
- 현재 알려진 안정적인 원자 중 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.
- 232Th의 반감기는 약 140억년이다.
- 238U의 반감기는 약 44억년이다.
- 244Pu의 반감기는 약 8000만년이다.
- 247Cm의 반감기는 약 1560만년이다.
- 247Bk의 반감기는 약 1380년이다.
- 251Cf의 반감기는 약 900년이다.
- 252Es의 반감기는 약 472일이다.
- 257Fm의 반감기는 약 100일이다.
- 258Md의 반감기는 약 57일이다.
이 이후로는 년 단위는 커녕 '일'단위를 반감기로 가지는 원소도 극히 적다. 현재까지 알려진 가장 무거운 원소인 오가네손은 반감기가 겨우 0.89밀리초이다.
하지만 양성자수와 중성자수가 더 늘어나면 특정 지점에서 상대적으로 안정성이 높은 원자핵들이 나타날 것으로 예측되며, 이들이 그래프상에서 마치 섬과 같은 모양을 띄기 때문에 안정성의 섬이라는 이름이 붙여졌다.
3. 마법수
철~니켈 이후로는 원자핵이 무거울수록 불안정하지만, 원자핵에서 낮은 에너지는 양성자와 중성자에 따라 전자가 차듯 준위를 이루기에 이게 특정한 숫자가 되면 안정적일 수 있다. 이 숫자를 마법수라고 한다. 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 등이 알려져 있다.납의 양성자수인 82가 가장 대표적인 마법수로, 납은 납-204, 206, 207, 208 등 특히 안정한 동위원소가 많으며 4개의 붕괴계열 중 3개가 납으로 끝난다. 납-208은 중성자수까지 126으로 이중 마법수를 가진다. 정확히 마법수에 해당하는 원자핵들만 안정성이 높아지는 것은 아니고, 비스무트처럼 마법수에 근접한 경우에도 안정성이 높아지는 효과가 있다. 칼슘-48의 경우 양성자수 20, 중성자수 28로 이중 마법수를 가지기에 주변 원자핵에 비해 양성자보다 중성자가 훨씬 많은데도 안정적인 편이다. 그래서 중성자가 많이 필요한 초중원소 합성의 재료로 사용되며, 동시에 중성자 비율의 기술적인 한계로도 작용하고 있다. 반대로 칼슘-40의 경우 양성자수, 중성자수 모두 20으로 양성자수와 중성자수가 같은데도 안정적인 가장 무거운 원자핵이다.
알려진 모든 마법수는 짝수이며, 많은 경우 양자 페어링 효과에 의해 짝수인 원자번호, 중성자수를 가지는 원자핵이 홀수에 비해 안정적이다. 폴로늄, 라듐, 토륨, 우라늄이 프랑슘, 아스타틴, 악티늄, 프로탁티늄에 비해 안정적이고, 원자번호가 낮은데도 불안정한 테크네튬, 프로메튬도 모두 원자번호가 홀수인 것을 대표적인 예로 들 수 있다.
4. 중원소의 안정성의 섬 예측
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[3] 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 것이라 화학자에게도 흥미로운 상태. 특히 Z=114인 플레로븀이 유력한 후보가 되고 있다.수십년 전에는 진짜 안정한 원소가 있을 것이란 예상도 많았으나, 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…[4] 그러나 수 년~수천 년의 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 있으며, 예측 모델에 따라 다름슈타튬이나 코페르니슘 부근으로 예측되기도 한다.
운헥스쿼듐-472(164번 원소, Uhq) 및 운헥스쿼듐-482 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.
4.1. 합성의 어려움
안정성의 섬에 위치할 것으로 추정되는 동위 원소들은 중성자의 수가 많기 때문에 표적과 발사체로 사용할 두 원소가 모두 중성자를 많이 가지고 있을 필요가 있지만 발사체로 사용할 원소 중 안정적이며 중성자가 많은 동위원소가 거의 없다는 것이 걸림돌이다. 예를 들어 플레로븀을 합성하려면 보통 플루토늄-244와 칼슘-48을 사용하는데, 이들의 핵자 수를 모두 다 합해도 292에 불과하다. 게다가 두 원자핵간 충돌로 인해 갓 합성된 원자핵은 들뜬 상태여서 수 개의 중성자를 배출하므로 중성자는 더욱 부족해진다. 또한 중성자를 더 많이 가진 방사성 발사체 동위원소(예: 칼슘-49)는 수명이 짧으므로 실험에 사용할 만큼 합성하기 어렵다.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.
실험용 핵무기를 여러 발 폭파시켜 고밀도의 중성자선을 발생시키고, 이를 우라늄 등 악티늄족 원소에 흡수시켜 안정성의 섬까지 도달하는 방법 또한 제안되었다. 초신성 폭발 핵합성의 R-과정을 모방하는 것이다. 하지만 정치적 문제 등으로 인해 실현되지 못하고 있다.
4.2. 안정성의 대륙 이론
정말로 안정한 8주기 이상의 원소가 존재할 가능성도 있다. 안정성의 대륙(Continent of Stability) 이론에 따르면 원자량 300 이상의 원자핵에서는 위 쿼크와 아래 쿼크가 양성자와 중성자에 갇혀있지 않고, 하나의 덩어리로 뭉친 쿼크 물질 원자핵[5]이 생성될 것으로 예측되기 때문이다. # 쿼크간의 결합은 핵자간의 결합보다 강하므로 전자기적 반발력을 이길 수 있다. 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.4.3. 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 광석 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[6]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 태양의 스펙트럼에서 헬륨을 발견했듯이 해당 항성의 스펙트럼을 분석해 미확인 원소를 발견할 가능성도 있을 것이다.
[1] 납의 다음 원소인 비스무트도 반감기가 우주의 수명보다 긴, 실질적으로 안정하다. 비스무트 이후 원소부터는 안정한 동위원소가 존재하지 않으며, 비스무트 이전 원소 중에서도 망가니즈족인 테크네튬(43번)과 란타넘족인 프로메튬(61번)이 불안정하다.[2] 폴로늄부터 악티늄까지는 최안정 동위원소들의 반감기가 수십 년, 기껏해야 라듐-226의 1600년이 최대지만 오히려 더 무거운 토륨과 우라늄은 반감기가 수십억 년인 동위원소를 가진다.[3] 과학동아에서는 (양성자, 중성자) 순으로 (126, 184)설을 채택했는데 현대 학계에서는 양자 효과로 인해 더 낮은 마법수를 예측하는 것이 일반적이다.[4] 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.[5] 기묘체와 유사하나, 위 쿼크와 아래 쿼크만으로 구성된 물질이다. 업-다운 쿼크 물질(udQM)이라고도 불린다. 여담으로 암흑물질의 주요 후보중 하나인 쿼크 너겟과 본질적으로는 동일하다. 기묘체는 쿼크 너겟의 일종.[6] 프지빌스키의 별(Przybylski's Star)라는 이름으로 불리기도 한다.