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안정성의 섬

현대의 핵화학은 초 우라늄 원소를 발견하는 것과 그것의 안정성에 대한 논의가 주를 이룬다. 초 우라늄 원소들은 대체적으로 불안정하여 짧은 반감기를 가진다고 알려져 있는데, 실제로 글렌 T.시보그를 포함한 많은 화학자들의 연구에서 비스무트(83번)보다 원자번호가 큰 원소들은 모두 불안정함이 밝혀졌다. 이러한 원자번호가 큰 원소들에는 우리가 잘 알고 있는 핵분열 발전에 쓰이는 플루토늄(238Pu, 반감기 88년)이나 연기 감지기에 쓰이는 아메리슘(241Am, 반감기 432년) 등이 있다.

이러한 안정성의 문제로 인해 100번 이상의 원소는 생성 즉시 혹은 매우 짧은 시간 이후에 붕괴하기 때문에 자연상태로 발견하기 힘드며 인공적으로 생성하거나 시뮬레이션을 통해 성질을 추측하는 경우가 대부분이다. 최근 연구를 통해 새로운 4개의 원소 니호늄(NIHONIUM, 113번), 모스코븀(MOSCOVIUM, 115번), 테네신(TENNESSINE, 117번)과 오가네손(OGANESSON, 118번)을 발견하였고, 2016년 IUPAC에 의해 각각 명명되었다.

이렇듯 더욱 더 무거운 원소를 발견하는 작업은 현재도 꾸준히 진행되고 있고 여러 성과를 낳고 있지만, 주기율표를 채워나가는 과정에 있어서 8주기로의 진전을 보이지 못하고 있다. 그 이유는 너무나 당연하게도 해당 원소가 매우 불안정 할것으로 추측되어 합성 과정을 찾기가 매우 까다롭기 때문이다.


이러한 8주기 원소는 다른 원소들과 달리 특별한 성질도 가진다고 예측되었다. 8주기 원소들은 5g부터 8p까지 오비탈 준위가 비슷해서 쌓음원래 (aufbau principle)을 만족하지 않고 제멋대로 채워질 가능성이 크다. 퓌쾨모델로 불리는 이 가설은 핀란드의 교수 페타 퓌쾨가 제안한 것으로 172번 원소까지는 8s → 5g → 8p(2개) → 6f → 7d → 9s → 9p(2개) → 8p로 한 준위를 다 채우기도 전에 다른 준위로 넘어가는 일이 발생할 것이라 예측하였다.


그러나 앞서 언급한 시보그는 119~125번의 원소가 발견조차 되지 않았음에도120번과 126번의 원소가 안정하게 존재할 것이라 예측했는데, 그 이유는 이 원소들의 핵자들이 마법수(magic number)라는 일련의 수열의 개수로 존재하는 동위원소를 이론적으로 가지고 있을 수 있기 때문이다. 마법수는 매우 안정된 원자핵의 양성자수 또는 중성자수를 일컫는 말로, 이 수는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126이다 (온라인 정수열 사전 OEIS의 A018226번 수열). 양성자수나 중성자수가 이와 같은 수로 되어 있는 원자핵은 그 전후의 원자핵에 비해 이온화에너지가 높거나 자연상태로의 존재량이 많은 등의 성질이 있다. 이러한 마법수의 존재는 1930년대부터 언급되었고, 그 존재가 실험적으로 밝혀져 원자핵 중의 양성자나 중성자가 원자 중의 전자와 유사한 껍질을 구성하고 있다는 것이 암시되었고, 원자핵 모형의 일종인 껍질모형이 밝혀졌다.


마치 바다속의 섬과 같은 모양으로 존재한다.

즉, 83번부터 불안정의 연속인 주기율표에서 마치 망망대해 속의 섬과 같은 형태로 안정한 원소들이 존재한다는 것을 예측하였고, 이를 “안정성의 섬 이론” 이라고 부르게 되었다. 위 사진을 보면 마치 120, 126번 원소를 제외하고 다른 원소는 존재하지 않는 것처험 보이기도 한다.


그러나 이것은 마법수를 만족하지 않는 8주기 원소가 없다는 것을 의미하지는 않는다. 많은 과학자들은 실제로 주기율표에는 끝이 있다고 생각하지만, 리처드 파인만의 경우에는 주기율표의 끝은 130번대 이후에나 존재할 것이라고 예견한 만큼 8주기에 안정하지는 않더라도 여전히 어떤 원소가 존재할 수도 있을 것이다.


17-025 김영욱


참고문헌

https://oeis.org/A018226 – 마법수

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%88%EC%A0%95%EC%84%B1%EC%9D%98_%EC%84%AC –위키피디아 안정성의 섬

https://www.scienceall.com/%EB%A7%88%EB%B2%95%EC%88%98magic-number-%E9%AD%94%E6%B3%95%E6%95%B8/ - 과학포털 사이언스올-마법수

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