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[케뉴-원소 이야기] 그의 이름을 딴 원소, 아인슈타이늄(Es)
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[케뉴-원소 이야기] 그의 이름을 딴 원소, 아인슈타이늄(Es)
  • 김수철 기자
  • 승인 2020.12.22 12:08
  • 댓글 0
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기호 Es, 원자 번호 99번 화학원소
아이비 마이크 핵실험의 낙진에서 처음 관찰
최근 아인슈타이늄의 결합길이가 악티늄족의 일반적인 경향에 위배된다는 것 발견

화학의 가장 기본적인 원소와 우리 생활과의 연관된 이야기들로 독자 여러분들을 찾아가려고 합니다. 원소의 개수가 118개라고 하니 앞으로 다양한 이야기들을 기대해주세요. [편집자주]

알버트 기오르소(왼쪽)와 알프레드 아인슈타인(오른쪽)

이 원소의 이름을 듣는 순간 바로 떠오르는 과학자 알프레드 아인슈타인, 그의 이름을 딴 원소가 있다. 그렇다고 이 원소를 그가 발견한 것은 아니다. 

가장 알기 어렵고 무거운 원소 중 하나인 아이슈타이늄에 대해서 알아본다.

주기율표에서 아인슈타이늄(Einsteinium, Es) /PubChem 갈무리

아이슈타이늄(Einsteinium)은 기호 Es, 원자 번호 99번을 가진 화학원소로 악티니드로 분류되며 실온에서 고체다. 아인슈타인이 죽기 3년 전 즈음, 1952년 알버트 기오르소가 이끄는 연구팀이 최초의 수소 폭탄의 폭발로 생성된 방사성 파편을 연구하면서 발견했다. 

미국 에너지부에 따르면 이 연구팀이 발견한 동위원소 아인슈타이늄은 -253의 반감기가 약 20일이고 15개의 중성자와 우라늄 -238을 결합해 생성된 후 7번의 베타 붕괴를 겪었다고 한다. 

오늘날 아인슈타이늄은 사슬의 각 동위원소를 중성자로 폭격한 다음 결과 동위원소가 베타 붕괴를 겪게 하는 긴 핵반응 사슬을 통해 생성되는데, 소량의 아인슈타이늄만 생산되었기 때문에 현재 기초 과학 연구 외에는 사용되지 않는다.

1961년 아인슈타이늄의 거시적 양을 분리하기에 충분한 양이 생산되었으며 이 샘플의 무게는 약 0.01µg이며 특수 자기식 저울을 사용하여 측정되었다. 이렇게 생산된 아인슈타이늄은 중성자 폭격으로 멘델레븀(Element 101)을 생산하는 데 사용되었다. 

아인슈타이늄에 대한 상업적 용도는 없지만 악티니드 계통학에서 5-f 전자의 역할에 대한 기본적인 연구를 가능하게 하는 대량 연구를 수행할 수있는 가장 무거운 원소다.

아인슈타이늄(생성 된 조명은 Es-253의 강렬한 복사의 결과로, 알파는 20.5 일의 반감기로 6.6 MeV, 1000 watts / g가 감소하며, 붕괴에 수반되는 열과 복사는 종종 Es 연구에서 해로운 영향을 미친다. 

알프레드 아인슈타인이 지금까지 가장 유명한 과학자로 손꼽히지만, 원자설의 첫 제창자인 존 돌턴이나 인류 역사상 가장 영향력 있고 중력을 발견한 아이작 뉴턴도 원소 이름 중에는 없다. 

왕림화학학회에 따르면 아인슈타인의 이름이 원소 이름으로 올라갈 수 있었던 것은 원자 구조를 이해하는 데 근본적인 역할을 했기 때문이다. 상대성 이론뿐만 아니라 원자가 어떻게 상호작용하는지를 설명하는 양자 이론의 기초를 닦았으며, 브라운 운동에 대한 그의 연구는 원자가 존재한다는 생각에 심각한 무게를 둔 첫 번째 연구였다. 

이름과는 별개로 아인슈타이늄을 돋보이게 한 것은 처음 생산된 방식이다. 소련이 자체 원자 폭탄을 개발했을 때 미국은 앞서 나가기 위해 더 강력한 무언가가 필요하다고 느꼈고, 원자 폭탄을 방아쇠로 사용하는 새로운 형태의 '슈퍼'라고 불리는 장치는 수소 동위원소 중수소에 너무 많은 열과 압력을 가하여 원자가 태양에서처럼 서로 융합되는데 그것은 최초의 열 핵무기였다. 

아이슈타이늄은 아이비 마이크 핵실험의 낙진에서 처음 관찰되었다

1952년 11월 미국이 Enewetak Atoll에서 대기 핵 실험을 실시했고 이것은 세계 최초의 성공적인 수소 폭탄이었다. 폭탄이 폭발했을 때 나가사키 폭발의 5백 배인 천만 톤 이상의 폭발력을 가지고 작은 섬을 완전히 파괴했는데 이것은 무게가 80톤이 넘고 그것을 지탱하기 위해 약 50피트 높이의 구조물을 필요로 하는 매우 중요한 실험 장치였다고 한다. 

그 강렬한 폭발의 순간에 그것은 완전히 새로운 요소를 만들어냈다. 낙진 구역에서 나온 수 톤의 물질은 시험을 위해 생성된 버클리까지 보내졌으며, 산호의 화산재와 검게 그을린 잔해들 사이에서 99번 원소의 수백 개의 원자가 발견되었는데, 후에 이를 아인슈타인이라고 불리게 되었다고 한다. 

물론 이 생산 방식은 표준이 아니며, 이제 아인슈타이늄이 필요할 때 플루토늄은 원자로에서 몇 년 동안 중성자를 퍼부어 아인슈타이늄으로 끌어올릴 수 있을 만큼 충분한 양의 중성자를 흡수하게 된다.

아주 적은 양만을 생산하는데, 실제로 발견 후 볼 수 있을 만큼 충분한 아인슈타인이 생산되기까지 9년이 걸렸다. 아인슈타이늄은 다른 것을 생산하는 방법을 제외하고는 알려진 용도가 없고 만들 이유가 없을 만큼 우리 삶에서 역할이 없는 요소다. 

알버트 아인슈타인이 원자와 원자 구조의 이해에 큰 기여를 한 것은 사실이지만 아인슈타이늄에서 그의 존재가 크다고 여겨지지는 않는 모양이다. 아인슈타인은 핵폭발의 아버지로 간주된다면, 아인슈타이늄은 폭탄의 자식 정도라고 하니까. 

최근 발견한 새로운 연구

수십 년 만에 처음으로 캘리포니아 대학의 로렌스 버클리 국립연구소의 연구원들이 아이슈타이늄 연구에 성공했다는 결과가 나오기도 했다. 이 연구는 네이처지에 2월 3일 온라인 게재됐다.

233 나노그램의 순수 아인슈타이늄 샘플을 생성하고 1970년대 이래 원소에 대한 첫 번째 실험을 수행함으로 그들은 처음으로 원소의 기본적인 화학적 특성을 발견할 수 있었다. 

버클리 연구소의 과학자들 /라이브사이언스지 갈무리
버클리 연구소의 과학자들 /라이브사이언스지 갈무리

악티늄족의 다른 원소들과 마찬가지로 아인슈타이늄은 더 무거운 원소를 생성하기 위해 중성자와 양성자로 표적 원소를 폭격해 만들어지는데, 연구팀은 아인슈타이늄을 만들 수 있는 세계에서 몇 안 되는 곳 중에 하나인 테네시의 옥 리지 국립연구소에서 특수 원자로를 사용했다. 

그러나 이 반응은 원자력 발전소에서 사용되는 상업적으로 중요한 원소인 칼리포늄을 만들기 위해 고안되었기 때문에 아주 적은 양의 아인슈타이늄만을 부산물로 만든다. 볼 수 있을 정도의 아인슈타이늄이 아니지만, 이 연구에서 발견된 주요 결과는 아인슈타이늄의 결합길이를 측정한 것이다. 이것은 과학자들이 다른 원소와 어떻게 상호 작용할지 예측하는 데 도움이 되는 기본적인 화학적 특성이다. 

연구원들은 아인슈타이늄의 결합길이가 악티늄족의 일반적인 경향에 위배된다는 것을 발견했다. 이것은 과거에 이론적으로 예측되었지만 실험적으로 입증된 적이 없는 것이다.

아인슈타이늄이 빛에 노출되었을 때 매우 다르게 발광하는데, 이 연구의 공동저자인 코레이 카터는 이를 '전례 없는 물리적 현상'이라고 설명했다. 이 새로운 연구가 정말 소량으로 화학을 할 수 있는 기초를 놓는다는 것이다. 

이 팀의 연구는 또한 미래에 아인슈타이늄을 더 쉽게 만들 수 있도록 할 수 있고, 이 경우 아인슈타이늄은 우누네늄이라고도 불리는 가상의 원소 119와 같은 발견되지 않은 원소를 포함하여 더 무거운 원소를 생성하기 위한 대상 원소로 잠재적으로 사용될 수 있다고 한다. 

일부 화학자들의 궁극적인 목표 중 하나는 다른 무거운 원소들의 반감기에 비해 반감기가 몇 분에서 며칠까지 걸리는 가상의 초강력 원소들을 발견하는 것이며, 이것은 안정성의 섬에서 살아있다는 의미라고 한다. 

케미컬뉴스 김수철 기자



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