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- 실험실에서 핵물리학자들은 이미 이 원소의 중성자 수를 단 7개로 줄였다.
- 19Mg는 알려진 마그네슘 동위원소 중 가장 가벼운 동위원소였다.
- 안정한 마그네슘 동위원소 24Mg의 핵을 빛의 절반 속도로 가속해 베릴륨 호일에 쏘았다.
- 들뜬 상태의 에너지는 2개의 중성자 무거운 20Mg 동위 원소의 에너지보다 훨씬 더 높아

물리학자들이 새로운 동위원소를 생성했다.
수명이 짧은 동위원소 마그네슘-18은 이 원소 중 가장 가볍고 중성자 결핍이 가장 적다.

극도로 불안정하고 가벼움:
핵물리학자들이 처음으로 18개의 핵 구성 요소를 가진 마그네슘 원자를 생성하는 데 성공했다. 이는 현재까지 알려진 이 원소 중 가장 가벼운 동위원소다. 12개의 양성자와 6개의 중성자로 구성된 원자핵은 극도로 불안정하며 2쌍의 양성자를 방출해 1초 미만의 분수로 분해된다. 새로운 동위원소의 에너지 상태는 원자핵의 구조와 "마법의" 핵 수에 대한 통찰력을 제공한다. 

▲ 처음으로 연구원들은 6개의 중성자로만 마그네슘 동위 원소를 만들었다. © S. M. Wang / Fudan University, Facility for Rare Isotope Beams

각 원소의 정체는 원자핵에 있는 양성자의 수에 의해 결정된다.
중성자의 양은 다양할 수 있다. 그러면 핵물리학자들은 원소의 동위원소에 대해 이야기한다. 이러한 동위원소의 안정성은 원자핵이 어떻게 구성되어 있는지에 대한 몇 가지 결론을 이끌어 낼 수 있다. 현재 이론에 따르면 핵 구성요소는 양자 역학으로 인해 쉘을 형성하므로 완전히 채워진 핵 껍질은 에너지적으로 유리해야 하고 따라서 더 안정적이어야 한다.

동위원소가 얼마나 낮아질 수 있을까?

12개의 양성자가 있는 마그네슘 원소에는 자연적으로 3개의 안정 동위원소가 있으며, 가장 흔한 것은 24Mg이며 거의 79%이다. 12개가 아닌 11개의 중성자를 가진 불안정한 가벼운 동위원소도 있다. 실험실에서 핵물리학자들은 이미 이 원소의 중성자 수를 단 7개로 줄였다. 지금까지 19Mg는 알려진 마그네슘 동위원소 중 가장 가벼운 동위원소였다.

지금은 바뀌었다.
베이징 대학의 Yu Jin이 이끄는 국제 연구팀은 이제 처음으로 마그네슘의 중성자 수를 추가로 줄이는 데 성공했다. 실험을 위해 그들은 미시간에 있는 국립 초전도 사이클로트론 연구소의 가속기에서 안정한 마그네슘 동위원소 24Mg의 핵을 빛의 속도 절반으로 가속해 베릴륨 호일에 쏘았다.

마그네슘-18의 첫 번째 검출

"이 충돌은 마그네슘-24보다 가벼운 다양한 동위원소를 제공한다"고 공동 저자인 Michigan State University의 Kyle Brown이 설명했다. 연구원들은 이러한 동위원소로부터 불안정한 24Mg를 분리하고 다른 베릴륨 호일과 충돌하도록 했다. 이 충돌로 인해 중성자가 추가로 방출돼 이 원자핵 중 일부가 지금까지 검출된 마그네슘 동위원소 중 가장 가벼운 마그네슘-18로 바뀌었다. 

▲ 그림 1 핵 차트의 하위 섹션다. 실험적으로 붕괴하는 것으로 밝혀진 핵 1p (초록), 2피 (파랑), 3p (보라색), 그리고 4p (분홍색) 방출이 강조 표시. 출처: 관련논문 Fig 1 First Observation of the Four-Proton Unbound Nucleus 18Mg)

"완전히 새로운 동위원소를 발견하는 것이 매일 일어나는 것은 아니기 때문에 매우 흥미롭다"고 Brown은 말했다. 새로 생성된 마그네슘 동위원소는 양성자 수의 절반에 불과한 중성자를 가지고 있다. 그러나 반감기가 너무 짧아 베릴륨 호일에 있는 동안 즉시 다시 분해된다. 원자핵은 전자껍질로 자신을 에워쌀 시간조차 없다. 따라서 새로운 동위원소는 원자핵으로만 존재한다.

양성자 이중 기증

따라서 18Mg는 붕괴 동안 방출된 입자를 기준으로만 감지할 수 있었다.
물리학자들이 발견한 바와 같이, 우선 한 쌍의 양성자가 있어 네온-16이 되고, 그 다음에는 또 다른 양성자 쌍이 따라와 원자핵이 가볍고 불안정한 동위 원소인 산소-14가 된다. 이것은 팀이 설명하는 것처럼 4개의 양성자의 방출을 통한 원자핵 붕괴의 두 번째 관찰일 뿐이다.

새로운 마그네슘 동위원소와 붕괴 동안 측정된 에너지는 원자핵의 구조에 대한 귀중한 정보를 제공한다. 들뜬 상태의 에너지는 2개의 중성자 무거운 20Mg 동위 원소의 에너지보다 훨씬 더 높은 것으로 보인다. 진과 그의 동료들은 이것이 핵 껍질과 관련이 있다고 의심한다. 두 핵심 구성요소에 12개의 양성자와 8개의 중성자가 있는 마그네슘-20은 코어에 완전히 채워진 하부 껍질을 가진 "매직 넘버"를 가지고 있다.
(Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.262502)
출처: 미시간 주립대학교 희귀 동위원소 빔 시설, 미국 물리학회(APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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