3'20" 읽기
- 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. 

▲ 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]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]