“마법의" 산소 동위원소 생성
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-09-01 10:08:44
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- RIKEN, 9개의 양성자, 20개의 중성자를 가진 플루오르-29 동위원소의 고에너지 빔 생성
- 바닥 상태의 산소 동위원소 28-O의 에너지는 모델에서 예측한 것과 대략 일치
- 불소-29 핵으로부터 이 동위원소가 형성되는 속도는 이중 마법 핵과 일치하지 않아
-“28-O의 첫 번째 들뜬 상태는 아직 감지되지 않았지만, 그 에너지는 닫히지 않은 중성자 껍질을 이해하는 데 중요할 수 있다”
현재 이론에 따르면 핵에도 내부 구조가 있다. 전자의 궤도와 유사하게 핵의 양성자와 중성자도 껍질에 배열되어 있는 것처럼 보인다. 완전한 핵 껍질은 에너지적으로 유리하기 때문에 특정 수의 양성자와 중성자를 가진 원자핵이 더 안정적이다. 2, 8, 20, 28, 50 및 82개의 양성자 또는 중성자를 가진 원자핵은 이러한 "마법의" 동위원소로 여겨진다. 핵에 양성자와 중성자로 구성된 완전한 핵 껍질이 있는 경우 이는 "이중 마법"으로 간주된다. 예로는 헬륨-4, 산소-16, 칼슘-40 및 지르코늄-80이 있다.
산소-28은 이중으로 마법적인가?
이 논리에 따르면 중성자가 극도로 풍부한 산소 동위원소인 28-O도 두 배로 마법적이어야 한다. 도쿄공과대학(Tokyo Institute of Technology)의 곤도 요스케(Yosuke Kondo)와 그의 동료들은 “8개의 양성자와 20개의 중성자로 두 개의 마법수를 결합했다”고 설명했다. 따라서 산소-28은 이러한 희귀한 원자핵 변형을 더 자세히 연구할 수 있는 기회를 제공한다.
동시에, 동위원소는 10~12개의 양성자를 갖는 네온, 나트륨 및 마그네슘 원소에서 관찰된 이상한 이상 현상을 명확히 할 수도 있다. 20개의 중성자를 갖는 이러한 원소의 동위원소는 실제로 완전한 중성자 핵 껍질을 가져야 하지만, 마술적이지 않다. 대신, 이 껍질과 아직 비어 있는 다음 더 높은 핵 껍질 사이의 에너지 격차가 너무 작아 일부 중성자가 "이동"하고 이러한 동위원소의 "마법"을 파괴한다. 이 현상은 "역전섬"(IoI; Island of Inversion)으로도 알려져 있다.
동위원소 충격을 받은 수소
핵물리학자들이 산소 동위원소 28-O의 구조를 조사하는 것은 매우 흥미로운 일이다. 이 동위원소는 이론적으로는 생산될 수 있지만, 지금까지 실험적으로 입증된 적은 없다. 실험을 위해 Kondo와 그의 팀은 세계에서 가장 강력한 사이클로트론 가속기 중 하나인 일본 RIKEN 연구소의 RI 빔 공장을 사용했다. 그곳에서 그들은 9개의 양성자와 20개의 중성자를 가진 핵인 플루오르-29 동위원소의 고에너지 빔을 생성했다.
고도로 가속된 불소 동위원소의 이 빔은 냉각된 액체 수소 탱크에 발사되었다. 수소 원자와의 충돌로 인해 불소 핵의 일부가 양성자를 잃어 28-O가 되었다. 이 산소 동위원소는 24-O 핵과 4개의 개별 중성자로 매우 빠르게 붕괴되었다. 그러나 이러한 붕괴 생성물의 속도와 방향을 측정함으로써 물리학자들은 산소-28 동위원소의 에너지와 행동을 결정할 수 있었다.
마법의 양성자이지만 중성자 껍질이 열려 있음
놀라운 결과:
바닥 상태의 산소 동위원소 28-O의 에너지는 모델에서 예측한 것과 대략 일치한다. 그러나 불소-29 핵으로부터 이 동위원소가 형성되는 속도는 이중 마법 핵과 일치하지 않는다. "이 행동은 닫히지 않은 N=20 중성자 핵 껍질을 가진 원자핵의 행동과 일치한다"고 Kondo는 설명했다. 이는 산소-28이 8개의 양성자에 대해 완전한 핵 껍질을 갖고 있으므로 "마법"이지만 중성자에 대해서는 그렇지 않다는 것을 의미한다.
이 결과는 또한 주기율표의 "역전섬"에 대한 새로운 시각을 제시한다. 산소는 일부 동위원소에서 인접한 중성자 껍질 사이의 에너지 간격이 약화되거나 사라지는 원소 중 하나다. Kondo는 “이것은 역전섬이 불소 동위원소 28-F와 29-F를 넘어 산소 동위원소까지 확장된다는 것을 의미한다”고 말했다.
원자핵의 구조에 대한 새로운 통찰력
전반적으로, 이러한 결과는 중성자가 가장 풍부한 산소 동위원소에 대한 새로운 시각을 제시할 뿐만 아니라 원자핵의 구조와 핵 구성 요소의 거동에 대한 일반적인 모델과 이론을 테스트하는 데에도 도움이 된다. 산소-28이 이중으로 마법적이지 않다는 발견은 또한 주기율표에서 역전섬(IOI)이 얼마나 멀리 확장되는지에 대한 의문을 제기한다. 여기서 중성자가 풍부한 동위원소에 대한 추가 실험이 필요하다.
또한 추가 조사가 필요한 것은 일부 원자의 핵심에 있는 중성자 껍질이 에너지 측면에서 왜 그렇게 가까이 있는지에 대한 것이다. 바닥 상태뿐만 아니라 여기 상태에서도 산소 동위원소 28-O를 생성하는 실험이 여기에 도움이 될 수 있다. 이번 연구에 참여하지 않은 캐나다 세인트메리대학교 물리학자 Rituparna Kanungo는 “28-O의 첫 번째 들뜬 상태는 아직 감지되지 않았지만, 그 에너지는 닫히지 않은 중성자 껍질을 이해하는 데 중요할 수 있다”고 설명했다. (nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06352-6)
출처: Tokyo Institute of Technology
- RIKEN, 9개의 양성자, 20개의 중성자를 가진 플루오르-29 동위원소의 고에너지 빔 생성
- 바닥 상태의 산소 동위원소 28-O의 에너지는 모델에서 예측한 것과 대략 일치
- 불소-29 핵으로부터 이 동위원소가 형성되는 속도는 이중 마법 핵과 일치하지 않아
-“28-O의 첫 번째 들뜬 상태는 아직 감지되지 않았지만, 그 에너지는 닫히지 않은 중성자 껍질을 이해하는 데 중요할 수 있다”
“마법의" 산소 동위원소 생성
중성자가 가장 풍부한 산소 동위원소인 28-O는 열린 핵 껍질로 놀라움을 선사한다.
놀랍게도 다르다. 이론과 달리 중성자가 풍부한 산소 동위원소인 28-O는 세계 최초로 가장 무거운 산소 동위원소를 생산하고 측정한 결과 밝혀진 것처럼 "이중 마법"이 아닌 것으로 보인다. 8개의 양성자와 20개의 중성자로 구성된 이 원자핵은 두 개의 완전한 핵 껍질을 가져야 하지만, 그렇지 않다. 대신, 붕괴 에너지는 28-O의 중성자 핵 껍질이 불완전하다는 것을 시사한다. 이는 원자핵의 구조에 새로운 빛을 비춰준다고 연구진은 Nature에 발표했다.
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| ▲ 동위원소 산소-28의 양성자와 중성자 구성. 따라서 이론적으로 이는 "이중 마법"이어야 한다. © Tokyo Tech |
현재 이론에 따르면 핵에도 내부 구조가 있다. 전자의 궤도와 유사하게 핵의 양성자와 중성자도 껍질에 배열되어 있는 것처럼 보인다. 완전한 핵 껍질은 에너지적으로 유리하기 때문에 특정 수의 양성자와 중성자를 가진 원자핵이 더 안정적이다. 2, 8, 20, 28, 50 및 82개의 양성자 또는 중성자를 가진 원자핵은 이러한 "마법의" 동위원소로 여겨진다. 핵에 양성자와 중성자로 구성된 완전한 핵 껍질이 있는 경우 이는 "이중 마법"으로 간주된다. 예로는 헬륨-4, 산소-16, 칼슘-40 및 지르코늄-80이 있다.
산소-28은 이중으로 마법적인가?
이 논리에 따르면 중성자가 극도로 풍부한 산소 동위원소인 28-O도 두 배로 마법적이어야 한다. 도쿄공과대학(Tokyo Institute of Technology)의 곤도 요스케(Yosuke Kondo)와 그의 동료들은 “8개의 양성자와 20개의 중성자로 두 개의 마법수를 결합했다”고 설명했다. 따라서 산소-28은 이러한 희귀한 원자핵 변형을 더 자세히 연구할 수 있는 기회를 제공한다.
동시에, 동위원소는 10~12개의 양성자를 갖는 네온, 나트륨 및 마그네슘 원소에서 관찰된 이상한 이상 현상을 명확히 할 수도 있다. 20개의 중성자를 갖는 이러한 원소의 동위원소는 실제로 완전한 중성자 핵 껍질을 가져야 하지만, 마술적이지 않다. 대신, 이 껍질과 아직 비어 있는 다음 더 높은 핵 껍질 사이의 에너지 격차가 너무 작아 일부 중성자가 "이동"하고 이러한 동위원소의 "마법"을 파괴한다. 이 현상은 "역전섬"(IoI; Island of Inversion)으로도 알려져 있다.
동위원소 충격을 받은 수소
핵물리학자들이 산소 동위원소 28-O의 구조를 조사하는 것은 매우 흥미로운 일이다. 이 동위원소는 이론적으로는 생산될 수 있지만, 지금까지 실험적으로 입증된 적은 없다. 실험을 위해 Kondo와 그의 팀은 세계에서 가장 강력한 사이클로트론 가속기 중 하나인 일본 RIKEN 연구소의 RI 빔 공장을 사용했다. 그곳에서 그들은 9개의 양성자와 20개의 중성자를 가진 핵인 플루오르-29 동위원소의 고에너지 빔을 생성했다.
고도로 가속된 불소 동위원소의 이 빔은 냉각된 액체 수소 탱크에 발사되었다. 수소 원자와의 충돌로 인해 불소 핵의 일부가 양성자를 잃어 28-O가 되었다. 이 산소 동위원소는 24-O 핵과 4개의 개별 중성자로 매우 빠르게 붕괴되었다. 그러나 이러한 붕괴 생성물의 속도와 방향을 측정함으로써 물리학자들은 산소-28 동위원소의 에너지와 행동을 결정할 수 있었다.
마법의 양성자이지만 중성자 껍질이 열려 있음
놀라운 결과:
바닥 상태의 산소 동위원소 28-O의 에너지는 모델에서 예측한 것과 대략 일치한다. 그러나 불소-29 핵으로부터 이 동위원소가 형성되는 속도는 이중 마법 핵과 일치하지 않는다. "이 행동은 닫히지 않은 N=20 중성자 핵 껍질을 가진 원자핵의 행동과 일치한다"고 Kondo는 설명했다. 이는 산소-28이 8개의 양성자에 대해 완전한 핵 껍질을 갖고 있으므로 "마법"이지만 중성자에 대해서는 그렇지 않다는 것을 의미한다.
이 결과는 또한 주기율표의 "역전섬"에 대한 새로운 시각을 제시한다. 산소는 일부 동위원소에서 인접한 중성자 껍질 사이의 에너지 간격이 약화되거나 사라지는 원소 중 하나다. Kondo는 “이것은 역전섬이 불소 동위원소 28-F와 29-F를 넘어 산소 동위원소까지 확장된다는 것을 의미한다”고 말했다.
원자핵의 구조에 대한 새로운 통찰력
전반적으로, 이러한 결과는 중성자가 가장 풍부한 산소 동위원소에 대한 새로운 시각을 제시할 뿐만 아니라 원자핵의 구조와 핵 구성 요소의 거동에 대한 일반적인 모델과 이론을 테스트하는 데에도 도움이 된다. 산소-28이 이중으로 마법적이지 않다는 발견은 또한 주기율표에서 역전섬(IOI)이 얼마나 멀리 확장되는지에 대한 의문을 제기한다. 여기서 중성자가 풍부한 동위원소에 대한 추가 실험이 필요하다.
또한 추가 조사가 필요한 것은 일부 원자의 핵심에 있는 중성자 껍질이 에너지 측면에서 왜 그렇게 가까이 있는지에 대한 것이다. 바닥 상태뿐만 아니라 여기 상태에서도 산소 동위원소 28-O를 생성하는 실험이 여기에 도움이 될 수 있다. 이번 연구에 참여하지 않은 캐나다 세인트메리대학교 물리학자 Rituparna Kanungo는 “28-O의 첫 번째 들뜬 상태는 아직 감지되지 않았지만, 그 에너지는 닫히지 않은 중성자 껍질을 이해하는 데 중요할 수 있다”고 설명했다. (nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06352-6)
출처: Tokyo Institute of Technology
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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