신비스러운 원소 아인슈타이늄(Es;Einsteinium)에 대한 새로운 통찰
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2021-02-06 11:12:33
(3분 읽기)
- 수소 폭탄, 중성자 등 강한 방사성 핵의 충돌로 생성돼
- 최근 특수 원자로에서 중성자로 큐리움을 충돌시켜 아인슈타늄 동위원소 Es-254 형성
- Es는 +3 산화상태, 산소원자와 결합길이 0.238nm, 질소 결합길이 0.34nm 확인
매우 희귀하고 거의 연구되지 않음
Einsteinium은 Eniwetok Atoll에서 폭발한 ‘Ivy Mike’ 수소 폭탄의 낙진으로 1952년에 발견됐지만 그 속성의 대부분은 부분적으로만 탐구됐다. 여기에는 내부 구조, 전자 궤도의 동작 및 이와 관련된 결합 동작이 포함된다. 이 원소는 5f 쉘에 11개의 전자가 있는 것으로 알려져 있다. 이들 중 어느 것이 결합에 참여하는지는 몇 가지 반응 파트너에 대해서만 확인됐다.
"예를 들어, 아인슈타이늄에서 어떤 산화 상태가 안정적인지 명확하지 않다"고 Lawrence Berkeley National Laboratory의 코레이 카터(Korey Carter)와 그의 팀은 설명한다.
“그 다음에는 +3 상태를 선호하는 큐리윰(curium), 베르켈리윰(berkelium) 및 캘리포늄(californium)과 같은 악티늄족이 뒤따른다. 그러나 페르뮴, 멘델레븀 및 노벨륨과 같은 후속 이웃은 점점 +2 산화 상태를 나타낸다. 아인슈타이늄의 결합 길이도 지금까지 알려지지 않았다.”
거의 200ng(나노그램)의 수율
최근 Carter와 그의 팀은 이 원소의 결합 길이를 측정하기에 충분한 아인슈타이늄을 생성시키는 데 처음으로 성공했다. 이를 위해 그들은 테네시의 Oak Ridge National Laboratory에 있는 특수 원자로에서 중성자로 악티노이드 큐리윰을 쏘았다. 캘리포늄 외에도 소량의 아인 슈타이늄 동위 원소 Es-254가 형성되었다.
거의 200 나노 그램의 물질을 추출한 후 연구원들은 귀중한 원소가 금속과 발광 복합체를 생성하는 분자인 유기 착화제와 반응하도록 허용했다. 발광 분광법과 X선 분광법의 도움으로 그들은 이 복합체의 구조와 아인슈타이늄의 결합 길이를 결정하는 데 처음으로 성공했다.
카터의 동료 레베카 아버겔(Rebecca Abergel)은 “그렇게 적은 양의 재료로 작업하고 무기 화학을 수행 할 수 있다는 것이 놀랍다”고 말했다.
스펙트럼의 예기치 않은 변화
분석 결과 :
이 복합 화합물의 아인슈타이늄은 +3 산화 상태를 가진다.
가장 가까운 산소 원자에 대한 결합 길이는 0.238 나노 미터이고 탄소 및 질소 결합은 0.34 나노 미터다. "이러한 결합 길이를 결정하는 것은 그다지 흥미롭지 않을 수 있지만 금속이 다른 분자와 반응 할 때 가장 먼저 알고 싶은 것"이라고 Abergel은 설명했다.
그러나 예상치 못한 발견도 있었다.
아인슈타이늄은 복잡한 형성 중에 악티노이드에서 전혀 관찰되지 않은 방식으로 스펙트럼을 바꾼다. 카터와 그의 팀은 “이 높은 색 발광 변화는 +3 악티나이드와 란타나이드의 경우 전례가 없다. 이것은 이 원소에서 스핀과 궤도 사이의 비정상적인 결합을 나타낼 수 있다.
주기율표 끝의 새로운 모습
아인슈타이늄의 비밀은 아직 밝혀지지 않았다.
그러나 과학자들은 그 결과를 첫 번째 단계로 보고 있다.
"이 데이터는 전체 악티나이드 시리즈가 어떻게 작동하는지에 대한 더 나은 관점을 제공한다"고 Abergel은 설명한다. "그것은 우리에게 주기율표의 끝에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 더 좋은 이해를 하게 했다."
이 지식은 화학 및 핵물리학의 매우 기본적인 질문에도 중요하다.
예를 들어 오늘날 알려진 원소 이외의 다른 원소가 있는지 여부다.
(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-020-03179-3)
출처 : DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory
- 수소 폭탄, 중성자 등 강한 방사성 핵의 충돌로 생성돼
- 최근 특수 원자로에서 중성자로 큐리움을 충돌시켜 아인슈타늄 동위원소 Es-254 형성
- Es는 +3 산화상태, 산소원자와 결합길이 0.238nm, 질소 결합길이 0.34nm 확인
신비스러운 원소 아인슈타이늄(Es;Einsteinium)에 대한 새로운 통찰
원자번호 99는 주기율표의 이웃과 다르게 반응한다.
방사능 많고, 수명이 짧아 희귀 :
아인슈타이늄 원소는 파악하려고 하면 주기율표의 이웃 원소와 다르게 행동한다.
이 악티나이드는 생성이 극히 어렵기 때문이다. 최근 미국 연구원들은 결합 길이와 발광을 테스트하기에 충분한 양을 생성했다. 이것들은 원소 99가 무엇보다도 그 에너지적인 행동에서 특이하다는 것을 확인시켜준다.
 |
| ▲ 아인슈타이늄 원소는 방사능이 너무 커서 강렬하게 빛난다. © RG Haire, ORNL / DOE |
아인슈타이늄은 주기율표에서 가장 적게 탐색된 무거운 원소 중 하나다.
원자 번호 99의 악티나이드는 방사성이 높고 아주 적은 양으로만 생성되기 때문이다.
매우 희귀하고 거의 연구되지 않음
Einsteinium은 Eniwetok Atoll에서 폭발한 ‘Ivy Mike’ 수소 폭탄의 낙진으로 1952년에 발견됐지만 그 속성의 대부분은 부분적으로만 탐구됐다. 여기에는 내부 구조, 전자 궤도의 동작 및 이와 관련된 결합 동작이 포함된다. 이 원소는 5f 쉘에 11개의 전자가 있는 것으로 알려져 있다. 이들 중 어느 것이 결합에 참여하는지는 몇 가지 반응 파트너에 대해서만 확인됐다.
"예를 들어, 아인슈타이늄에서 어떤 산화 상태가 안정적인지 명확하지 않다"고 Lawrence Berkeley National Laboratory의 코레이 카터(Korey Carter)와 그의 팀은 설명한다.
“그 다음에는 +3 상태를 선호하는 큐리윰(curium), 베르켈리윰(berkelium) 및 캘리포늄(californium)과 같은 악티늄족이 뒤따른다. 그러나 페르뮴, 멘델레븀 및 노벨륨과 같은 후속 이웃은 점점 +2 산화 상태를 나타낸다. 아인슈타이늄의 결합 길이도 지금까지 알려지지 않았다.”
 |
▲ 1952년 10월 31일 수소 폭탄 "아이비 마이크(Ivy Mike)"의 폭발. Einsteinium은 낙진에서 처음 발견됐다. © US Department of Energy |
거의 200ng(나노그램)의 수율
최근 Carter와 그의 팀은 이 원소의 결합 길이를 측정하기에 충분한 아인슈타이늄을 생성시키는 데 처음으로 성공했다. 이를 위해 그들은 테네시의 Oak Ridge National Laboratory에 있는 특수 원자로에서 중성자로 악티노이드 큐리윰을 쏘았다. 캘리포늄 외에도 소량의 아인 슈타이늄 동위 원소 Es-254가 형성되었다.
거의 200 나노 그램의 물질을 추출한 후 연구원들은 귀중한 원소가 금속과 발광 복합체를 생성하는 분자인 유기 착화제와 반응하도록 허용했다. 발광 분광법과 X선 분광법의 도움으로 그들은 이 복합체의 구조와 아인슈타이늄의 결합 길이를 결정하는 데 처음으로 성공했다.
카터의 동료 레베카 아버겔(Rebecca Abergel)은 “그렇게 적은 양의 재료로 작업하고 무기 화학을 수행 할 수 있다는 것이 놀랍다”고 말했다.
 |
| ▲ 약 300 마이크로 그램 Es-253이 들어 있는 석영 앰플(직경 9mm). 빛은 강한 방사능에 의해 만들어진다. (흑백 사진) Source:Haire, Richard G. (2006). "Einsteinium". In Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (3rd ed.). Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. ISBN 1-4020-3555-1. p. 1580 |
스펙트럼의 예기치 않은 변화
분석 결과 :
이 복합 화합물의 아인슈타이늄은 +3 산화 상태를 가진다.
가장 가까운 산소 원자에 대한 결합 길이는 0.238 나노 미터이고 탄소 및 질소 결합은 0.34 나노 미터다. "이러한 결합 길이를 결정하는 것은 그다지 흥미롭지 않을 수 있지만 금속이 다른 분자와 반응 할 때 가장 먼저 알고 싶은 것"이라고 Abergel은 설명했다.
그러나 예상치 못한 발견도 있었다.
아인슈타이늄은 복잡한 형성 중에 악티노이드에서 전혀 관찰되지 않은 방식으로 스펙트럼을 바꾼다. 카터와 그의 팀은 “이 높은 색 발광 변화는 +3 악티나이드와 란타나이드의 경우 전례가 없다. 이것은 이 원소에서 스핀과 궤도 사이의 비정상적인 결합을 나타낼 수 있다.
주기율표 끝의 새로운 모습
아인슈타이늄의 비밀은 아직 밝혀지지 않았다.
그러나 과학자들은 그 결과를 첫 번째 단계로 보고 있다.
"이 데이터는 전체 악티나이드 시리즈가 어떻게 작동하는지에 대한 더 나은 관점을 제공한다"고 Abergel은 설명한다. "그것은 우리에게 주기율표의 끝에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 더 좋은 이해를 하게 했다."
이 지식은 화학 및 핵물리학의 매우 기본적인 질문에도 중요하다.
예를 들어 오늘날 알려진 원소 이외의 다른 원소가 있는지 여부다.
(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-020-03179-3)
출처 : DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
