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- 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.

전 세계적으로 이 원소는 몇 나노 그램에 불과하다. 이것은 무엇보다도 합성에 필요한 극한 조건 때문이다. 무엇보다도 수소 폭탄 폭발과 중성자와 함께 강한 방사성 핵의 폭격으로 형성된다.

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]

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