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전자 껍질이 꽉 차면, 완전한 핵 껍질은 에너지적으로 유리하고 원자핵에 더 큰 안정성 갖는다.
양성자는 2, 8, 20, 28, 50 및 82에 완전한 핵 껍질을 갖는다.
헬륨, 산소, 칼슘, 니켈, 주석 및 납과 일치.
실제로, 이들 원소는 특히 안정적이고 비교적 많은 수의 안정한 동위 원소를 갖는다.
매직 그룹의 모든 구성원은 구형 핵을 가지고 있다.

새로운 주기율표, 양성자 숫자에 따라 그룹화

새로운 분류 :
원소들이 핵 껍질(구각) 채우기에 따라 그리고 양성자 수에 따라 그룹화되는 주기율표가 처음으로 만들어졌다. 전자의 수가 원소의 화학적 거동을 결정하는 것처럼, 핵 껍질과 ‘마법의 숫자’는 원자핵의 모양과 거동에 영향을 미친다. 이것이 바로 새로운 배열에 연구원들이 주목한 점이다.

▲ 주기율표의 새로운 변형에서, '매직 수'의 양성자가있는 원소들이 위아래에 위치한다. © Kyoto University / Kouichi Hagino Yoshiteru Maeno

원소의 주기율표는 화학의 기초를 형성한다.
주기율표의 배열을 이해하면 화학을 공부하는 가장 중요한 첫 단계를 통과하는 셈이다.
물론 원자핵의 구성을 아는 물리학적 지식이 앞서 있어야 하지만.
주기율표에서 원자의 위치는 원자의 무게와 핵의 양성자 수를 나타내기 때문이다.
껍질에 몇 개의 전자가 채워져 있는지, 전자의 수와 결합 및 화학 반응에서 어떻게 작동하는지에 대한 결론을 도출 할 수 있다.

핵의 껍질과 ‘마법의 숫자’

전자 껍질의 궤도가 원자의 유일한 순서 원리는 아니다.
연구자들은 원자핵에 양성자와 중성자에 의해 점차적으로 채워지는 양자 역학적 ‘쉘(shell)이 오랫동안 있다고 생각해왔다. 전자 껍질이 꽉 차면, 완전한 핵 껍질은 에너지적으로 유리할 수 있고 이 원자핵에 더 큰 안정성을 제공할 수 있다.

교토 대학 코우이치 하기노(Kouichi Hagino)는 “이 핵 궤도가 양성자로 가득 차면 전자 궤도의 경우 안정적인 희귀가스처럼 안정적인 핵을 형성한다”고 설명한다.
실제로, 관찰에 따르면 특정 수의 양성자 또는 중성자를 가진 원자핵은 결합 에너지가 더 높다는 것을 알 수 있다. 방사성 동위 원소에서 이 ‘마법 숫자’는 긴 반감기를 보인다.

양성자는 2, 8, 20, 28, 50 및 82에 완전한 핵 껍질을 갖는 것으로 보인다.
이것은 헬륨, 산소, 칼슘, 니켈, 주석 및 납과 일치한다. 실제로, 이들 요소는 특히 안정적이고 비교적 많은 수의 안정한 동위 원소를 갖는다.

희귀가스 대신 ‘매직 숫자 그룹’

이 원자핵의 구조와 그 영향을 명확하게 하기 위해 하기도(Hagino)와 그의 동료 요시테루 마에노(Yoshiteru Maeno)는 최근 원소들이 전자껍질에 따라 그룹화되지 않고 핵 껍질에 따라 그룹화되는 주기율표를 개발했다. 연구진은 "핵 주기율표에서 매직 테이블이 있는 모든 원소를 공통 테이블의 희귀가스와 유사하게 하나의 열에 배치 한다"고 설명했다.

결과적으로 핵 껍질에서 완전한 양성자수를 가진 모든 원소가 테이블 위아래로 만들어진다.
이 ‘마술 그룹’에는 40개의 양성자가 있는 아연이 있다.
왜냐하면 이 원소는 아마도 전체 양성자가 낮은 껍질을 가지고 있어 Hagino와 Maeno가 설명하듯 일종의 “반(半) 마법 숫자”를 가지고 있기 때문이다.

▲ 매직 양성자 번호에 따라 원소를 그룹화한다. 둥근 모서리 상자는 구형 모양이 아닌 핵을 표시한다. © 교토 대학 / 코우이치 하기노 요시테루 마에노

테이블 위치는 핵의 형태를 보여준다.

새로운 핵 주기율표에서, 각 원소의 핵 껍질 상태를 쉽게 볼 수 있다.
원소가 ‘마술 그룹에서 멀어질수록, 양자 코어 쉘은 에너지적으로 최적의 상태에서 멀어진다. 연구원들은 “물론 중성자와 그 마법 수에 대해 매우 유사한 표를 설정할 수도 있지만, 양성자가 원소의 구성원을 결정하기 때문에 더 명확하고 쉽다”고 설명했다.

동시에, 이 표는 원자핵의 또 다른 특징을 명확하게 보여준다.
과학자들이 설명하듯 매직 그룹의 모든 구성원은 구형 핵을 가지고 있다.
양성자가 하나만 너무 많거나 적은 대부분의 직계 이웃도 마찬가지다.
다른 한편으로, 코어 껍질이 약 절반으로 가득 찬 요소는 다르다.
기본 상태에서도 변형돼 약간 타원형이다.

클래식 테이블에 유용한 추가

두 연구원에 따르면, 핵 주기율표는 특히 현재 사용중인 공통 원소 주기율표에 유용한 추가 자료다. 원자와 원소의 특성이 전자껍질과 핵 구조에 의해 형성된다는 것을 보여주기 때문이다. 그들은 학계와 화학 팬들이 이 요소에 대한 신선하고 약간 다른 관점을 즐기기를 바라고 있다.

(Foundations of Chemistry, 2020; doi: 10.1007/s10698-020-09365-5)
출처: Kyoto University

[더사이언스플러스=문광주]

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