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고압에선 이런 모습이? 방사성 원소 퀴륨의 재발견

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고압에선 이런 모습이? 방사성 원소 퀴륨의 재발견

2020.08.04 13:01
방사성 원소는 반감기가 짧아 자연적으로 존재할 확률이 매우 낮다. 약 45억 년 전 태야계 형성 초기에 운석(사진)을 분석한 결과, 당시 우주에는 퀴륨(Cm)이 준재했던 것으로 나타났다. 시카고대 제공
방사성 원소는 반감기가 짧아 자연적으로 존재할 확률이 매우 낮다. 약 45억 년 전 태야계 형성 초기에 운석(사진)을 분석한 결과, 당시 우주에는 퀴륨(Cm)이 준재했던 것으로 나타났다. 시카고대 제공

주기율표를 훑어보다 보면 독특한 구성이 눈에 띈다. 맨 아래 두 줄로 분리된 원소들이다. 이중 원자번호 89번부터 103번까지에 해당하는 원소를 악티늄족이라고 부른다. 


악티늄족은 대부분 방사성 원소다. 방사성 원소는 반감기가 극도로 짧아 금세 붕괴되기 때문에 결정구조나 화학적 성질을 연구하기가 어렵다. 


그런데 최근 미국 플로리다주립대와 독일 아헨공대 등 공동연구팀이 높은 압력을 이용해 원자번호가 96번인 악티늄족 방사성 원소 퀴륨(Cm)의 화학적 성질을 바꿀 수 있다는 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처’ 7월 15일자에 발표했다. 퀴륨이라는 원소 이름은 퀴리 부부를 기념해 지은 것이다. 


연구팀은 기압을 0GPa(기가파스칼·1GPa은 대기압의 1만 배)에서 11GPa까지 변화시키면서 3가 퀴륨 이온(Cm3+)이 주변에 놓인 다른 가벼운 원소와 화학결합할 때 구조를 분석했다. Cm3+은 최외각 전자껍질에 전자가 반만 채워져 있는 매우 안정한 상태다. 


연구팀은 기압이 0GPa일 때 퀴륨 화합물(Cm Ⅲ mellitate) 속 Cm3+이 두 개의 황 원자와 결합하는 각도가 각각 4°(도)와 9°인 반면, 기압이 11GPa일 때는 각각 13°와 67°가 된다는 사실을 알아냈다. 고압 환경에서 화학결합의 구조가 뒤틀리는 셈이다. 

 

미국과 독일 공동연구팀이 고압상태에서 퀴륨 결정을 420nm(나노미터) 파장으로 촬영한 사진. 압력이 높으면 퀴륨의 화학적 성질이 바뀐다는 게 밝혀졌다. 플로리다 주립대 제공
미국과 독일 공동연구팀이 고압상태에서 퀴륨 결정을 420nm(나노미터) 파장으로 촬영한 사진. 압력이 높으면 퀴륨의 화학적 성질이 바뀐다는 게 밝혀졌다. 플로리다 주립대 제공

 


연구팀은 Cm3+이 고압 환경에서 주변 유기 황화물과 결합할 때 이런 구조 변화로 인해 결합이 더 강해진다는 사실을 확인했다.


토마스 알브레쳇 슌자르트 플로리다주립대 화학및생화학과 교수는 “이번 연구를 통해 악티늄족 원소의 특징을 더 잘 이해할 수 있게 됐다”며 “악티늄족 원소의 화학적 특징을 더 명확히 알면 핵연료를 재활용하거나 저장 기간을 연장하는 새로운 전략을 마련할 수 있을 것”이라고 말했다. doi: ​10.​1038/​s41586-020-2479-2

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