안정성의 섬

지미 카터 미국 대통령의 연설에 대해서는 안정성의 섬 (연설) 문서를 참고하십시오.

핵물리학에서 안정성의 섬(Island of stability)은 초악티늄족 원소의 동위 원소 중 알려진 동위 원소보다 상당히 긴 반감기를 가질 수 있다고 예측된 여러 원소 집합을 말한다. 이는 알려진 안정 및 장수명 원시 핵종과 분리되어 핵종표에 "섬"으로 나타날 것으로 예측된다. 그 이론적 존재는 초중질량 영역에서 예측된 마법수의 양성자와 중성자의 안정화 효과에 기인한다.^[3][4]

합동원자핵연구소가 만든 다이어그램으로, 양성자와 중성자의 수에 따라 정렬된 초중핵종의 측정(상자 안) 및 예측 반감기를 보여준다. Z = 112 (코페르니슘) 주변에 예상되는 안정성의 섬의 위치가 원으로 표시되어 있다.^[1][2]

안정성의 섬의 정확한 위치에 대해서는 여러 예측이 있었지만, 일반적으로 N = 184에서 예측되는 닫힌 중성자 껍질 근처의 코페르니슘과 플레로븀 동위 원소 근처에 중심을 둘 것으로 추정된다.^[2] 이러한 모델은 닫힌 껍질이 핵분열과 알파 붕괴에 대한 추가적인 안정성을 부여할 것임을 강력히 시사한다. 이런 효과는 원자 번호 Z = 114 (플레로븀) 및 N = 184 근처에서 가장 클 것으로 예상되지만, 안정성이 증가하는 영역은 여러 인접한 원소를 포함할 것으로 예상되며, 이중 마법수 (양성자와 중성자 모두 마법수를 가짐)를 갖는 더 무거운 핵 주변에도 추가적인 안정성의 섬이 있을 수 있다. 섬 내 핵종의 안정성 추정치는 일반적으로 수분 또는 수일의 반감기이며, 일부 낙관론자는 수백만 년의 반감기를 제안하기도 한다.^[5]

마법수를 예측하는 핵 껍질 모델은 1940년대부터 존재했지만, 장수명 초중 핵종의 존재는 확실히 입증되지 않았다. 다른 초중원소와 마찬가지로 안정성의 섬 내 핵종은 자연에서 발견된 적이 없으므로 연구를 위해서는 핵반응을 통해 인공적으로 생성해야 한다. 과학계는 그러한 반응을 수행할 방법을 찾지 못했는데, 이는 섬의 중심 근처의 핵을 채우는 데 새로운 유형의 반응이 필요할 가능성이 높기 때문이다. 그럼에도 불구하고 오가네손까지 Z = 118의 초중 원소를 최대 177개의 중성자와 함께 성공적으로 합성한 것은 110에서 114까지의 원소 주변에서 약간의 안정화 효과를 보여주며, 이는 더 무거운 동위 원소에서 계속되어 안정성의 섬의 존재와 일치한다.^[2][6]

서론

핵종 안정성

 안정성의 계곡 문서를 참고하십시오.

알려진 핵종의 반감기 차트

핵종(원자핵)의 구성은 양성자 수 Z와 중성자 수 N에 따라 정의되며, 이들은 합하여 질량수 A를 이룬다. 양성자 수 Z는 원자 번호라고도 불리며, 주기율표에서 원소의 위치를 결정한다. 약 3,300개의 알려진 핵종^[7]은 일반적으로 Z와 N을 축으로 하고 각 불안정한 핵종에 대해 방사성 붕괴의 반감기가 표시된 핵종표로 표현된다 (그림 참조).^[8] 2025년 기준 251개의 핵종이 안정한 것으로 관찰된다 (붕괴하는 것이 관찰되지 않음).^[9] 일반적으로 양성자 수가 증가하면 안정적인 핵은 더 높은 중성자-양성자 비율(양성자당 중성자가 더 많음)을 갖는다. 주기율표에서 안정적인 동위 원소를 갖는 마지막 원소는 납 (Z = 82)이다.^[a][b] 일반적으로 더 무거운 원소에서는 안정성 (즉, 가장 오래 사는 동위 원소의 반감기)이 감소하며,^[c][12] 특히 퀴륨 (Z = 96)을 넘어서는 불안정성이 심해진다.^[13] 핵의 반감기는 중성자-양성자 비율이 불균형할 때도 감소하여, 결과적으로 핵이 안정하기에는 너무 적거나 너무 많은 중성자를 갖게 된다.^[14]

핵의 안정성은 결합 에너지로 결정되며, 결합 에너지가 높을수록 안정성이 커진다. 핵자당 결합 에너지는 원자 번호가 증가함에 따라 A = 60 근처의 넓은 평탄 지역까지 증가한 후 감소한다.^[15] 핵이 더 낮은 총 에너지를 갖는 두 부분으로 분할할 수 있다면 (더 큰 결합 에너지로 인한 질량 결손의 결과) 그 핵은 불안정하다. 핵은 분할을 막는 퍼텐셜 장벽 때문에 유한한 시간 동안 함께 유지될 수 있지만, 이 장벽은 양자 터널링을 통해 넘어설 수 있다. 장벽과 핵분열 생성물의 질량이 낮을수록 단위 시간당 분할될 확률은 커진다.^[16]

핵 속의 양성자는 강한 상호작용으로 결합되어 있으며, 이는 양전하를 띤 양성자 사이의 쿨롱 반발력을 상쇄한다. 더 무거운 핵에서는 반발력을 줄이고 추가적인 안정성을 부여하기 위해 더 많은 수의 전하 없는 중성자가 필요하다. 그럼에도 불구하고, 물리학자가 자연에 존재하지 않는 원소를 합성하기 시작하면서, 핵이 더 무거워질수록 안정성이 감소한다는 것을 발견했다.^[17] 따라서 과학계는 언젠가 주기율표가 끝날 수도 있다고 추측했다. 플루토늄 (원소 94번)의 발견자는 이것이 마지막 원소라고 생각하여 "울티미움"이라고 이름을 붙이는 것을 고려했다.^[18] 더 무거운 원소들이 발견된 후 일부는 마이크로초 단위로 붕괴하면서 자발 핵분열에 대한 불안정성이 더 무거운 원소의 존재를 제한할 것으로 보였다. 1939년에는 잠재적인 원소 합성의 상한이 원소 104번 주변으로 추정되었으며,^[19] 1960년대 초 초악티늄족 원소의 첫 발견 이후, 이 상한 예측은 원소 108번까지 확장되었다.^[17]

마법수

알려진 및 예측된 양성자 껍질의 에너지 준위를 보여주는 다이어그램 (왼쪽과 오른쪽은 두 가지 다른 모델을 보여줌).^[20] Z = 82, 114, 120, 126에서의 틈은 껍질 닫힘에 해당하며,^[20] 이는 특히 안정적인 구성을 가지므로 더 안정적인 핵을 만든다.^[21]

일찍이 1914년, 당시 가장 무거운 원소였던 우라늄의 원자 번호를 훨씬 넘어서는 초악티늄족 원소의 존재 가능성이 제기되었다. 독일 물리학자 리하르트 스빈 (Richard Swinne)은 Z = 108 주변의 초중 원소가 우주선의 방사선원이라고 제안했다. 스빈은 확실한 관찰을 하지는 않았지만, 1931년에 Z = 100 또는 Z = 108 주변의 초우라늄 원소가 상대적으로 수명이 길고 자연에 존재할 수 있다고 가설을 세웠다.^[22] 1955년, 미국 물리학자 존 아치볼드 휠러도 이러한 원소의 존재를 제안했으며^[23] 그는 1958년에 프레데릭 베르너 (Frederick Werner)와 함께 발표한 논문에서 "초중원소"라는 용어를 처음 사용한 것으로 알려져 있다.^[24] 이 아이디어는 10년 후 핵 껍질 모형의 개선이 이루어질 때까지 큰 관심을 끌지 못했다. 이 모델에서 원자핵은 원자의 전자 껍질과 유사하게 "껍질"로 구성된다. 중성자와 양성자는 서로 독립적으로 일반적으로 서로 가까운 에너지 준위를 가지지만, 주어진 껍질이 채워진 후에는 다음 껍질을 채우기 시작하는 데 훨씬 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 핵자당 결합 에너지는 국부적으로 최댓값에 도달하며, 채워진 껍질을 가진 핵은 그렇지 않은 핵보다 더 안정적이다.^[25] 핵 껍질 모델 이론은 1930년대에 시작되었지만, 1949년에 독일 물리학자 마리아 괴퍼트메이어와 J. 한스 D. 옌젠 등이 독립적으로 올바른 공식을 고안하기 전까지는 제대로 모델이 잡히지 않았다.^[26]

껍질이 채워지는 핵자의 수는 마법수라고 불린다. 중성자의 마법수는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126으로 관찰되었으며, 다음 숫자는 184로 예측된다.^[6][27] 양성자는 이 마법수 중 첫 6개를 공유하며,^[28] 126은 1940년대부터 양성자 마법수로 예측되었다.^{[29] 16}O (Z = 8, N = 8), ¹³²Sn (Z = 50, N = 82), ²⁰⁸Pb (Z = 82, N = 126)와 같이 양성자수와 중성자수 모두 마법수를 가진 핵종은 "이중 마법수"라고 불리며, 더 큰 결합 에너지를 가져 주변 핵종보다 더 안정적이다.^[30][31]

1960년대 후반에는 미국 물리학자 윌리엄 마이어스 (William Myers)와 폴란드 물리학자 브와디스와프 시비옹테키 (Władysław Świątecki)가, 독일 물리학자 하이너 멜드너 (Heiner Meldner, 1939–2019^[32][33])가 독자적으로 더욱 정교한 껍질 모델을 정립했다. 이 모델로 쿨롱 반발력을 고려하여, 멜드너는 다음 양성자 마법수가 126이 아닌 114일 수 있다고 예측했다.^[34] 마이어스와 시비옹테키는 "안정성의 섬"이라는 용어를 처음 사용한 것으로 보이며, 나중에 많은 초중원소를 발견한 미국 화학자 글렌 시보그가 이 용어를 빠르게 채택하고 홍보했다.^[29][35] 마이어스와 시비옹테키는 일부 초중원소의 핵이 더 높은 핵분열 장벽의 결과로 더 오래 유지될 것이라고 제안했다. 소련 물리학자 빌렌 스트루틴스키의 핵 껍질 모델의 추가 개선은 액체 방울 모델의 특징인 부드러운 경향과 껍질 효과와 같은 국부적 변동을 모두 고려하는 핵 질량 모델인 거시-미시 방법의 출현으로 이어졌다. 이 접근법은 스웨덴 물리학자 스벤 닐손 (Sven Nilsson) 등이 다른 연구진과 함께 섬 내 핵의 안정성에 대한 최초의 상세한 계산을 수행할 수 있게 도와주었다.^[34] 이 모델의 출현과 함께 스트루틴스키, 닐손 및 다른 연구진은 1957년에 이미 이중 마법수일 것으로 예측되었던 ³¹⁰Ubh (Z = 126, N = 184) 대신 이중 마법 핵종 ²⁹⁸Fl (Z = 114, N = 184)의 존재를 주장했다.^[34] 이후 양성자 마법수 추정치는 114에서 126까지 다양하며 정확히 몇이 마법수인지 여전히 합의가 이루어지지 않고 있다.^{[6][21][36][37]}

발견

초중원소의 가장 안정적인 동위 원소 (Z ≥ 104)

원소	원자 번호	가장 안정적인 동위 원소	반감기[d]
			출판 논문 [38][39]	NUBASE 2020 [40]
러더포듐	104	267Rf	48 min[41]	2.5 h
더브늄	105	268Db	16 h[42]	1.2 d
시보귬	106	269Sg	14 min[43]	5 min
보륨	107	270Bh[e]	2.4 min[45]	3.8 min
하슘	108	269Hs	9.7 s[46]	16 s
마이트너륨	109	278Mt[f][g]	4.5 s	6 s
다름슈타튬	110	281Ds[f]	12.7 s	14 s
뢴트게늄	111	282Rg[f][h]	1.7 min	2.2 min
코페르니슘	112	285Cn[f]	28 s	30 s
니호늄	113	286Nh[f]	9.5 s	12 s
플레로븀	114	289Fl[f][i]	1.9 s	2.1 s
모스코븀	115	290Mc[f]	650 ms	840 ms
리버모륨	116	293Lv[f]	57 ms	70 ms
테네신	117	294Ts[f]	51 ms	70 ms
오가네손	118	294Og[f]	690 μs	700 μs

1960년대 내내 안정성의 섬에 대한 관심이 커졌다. 일부 계산에 따르면 수십억 년의 반감기를 가진 핵종이 포함될 수도 있다고 추정된다.^[48][5] 또한 높은 원자 질량에도 불구하고 자발 핵분열에 특히 안정적일 것으로 예측되었다.^[34][49] 만약 그러한 원소가 존재하고 충분히 오래 산다면, 그들의 핵 및 화학적 특성으로 인해 여러 새로운 응용이 가능할 것이라 전망되었다. 여기에는 중성자원으로서의 입자 가속기 사용, 예측된 낮은 임계 질량과 핵분열당 방출되는 높은 중성자 수로 인한 핵무기 사용,^[50] 우주 임무를 위한 핵연료 등이 포함된다.^[36] 이러한 추측은 1960년대와 1970년대에 많은 연구자가 자연과 입자 가속기를 통한 핵합성 양쪽으로 초중원소를 탐색하게 만들었다.^[23]

1970년대에는 장수명 초중원소 핵에 대한 많은 탐색이 수행되었다. 원자 번호 110에서 127번까지의 원소를 합성하기 위한 실험이 전 세계 연구실에서 진행되었다.^[51][52] 이 원소는 융합-증발 반응에서 탐색되었는데, 이 반응에서는 한 핵종으로 만들어진 무거운 표적이 가속된 다른 이온에 사이클로트론에서 조사되고, 이 핵이 핵융합한 후 결과적인 들뜬 상태의 입자가 여러 입자 (일반적으로 양성자, 중성자 또는 알파 입자)를 증발시켜 에너지를 방출함으로써 새로운 핵종이 생성된다. 이 반응은 "흡열" 및 "발열" 융합으로 나뉘며, 각각 더 낮거나 더 높은 들뜸 에너지를 갖는 여러 입자를 생성한다. 이는 반응의 수율에 영향을 미친다.^[53] 예를 들어, ²⁴⁸Cm과 ⁴⁰Ar 사이의 반응은 원소 114번의 동위 원소를 생성할 것으로 예상되었고, ²³²Th와 ⁸⁴Kr 사이의 반응은 원소 126번의 동위 원소를 생성할 것으로 예상되었다.^[54] 이러한 시도 중 어느 것도 성공하지 못했는데,^[51][52] 이는 반응 단면적이 낮아 수율이 낮았다면 그러한 실험이 새 핵종을 발견하기에 충분히 민감하지 않았거나, 그러한 융합-증발 반응을 통해 도달할 수 있는 핵이 검출하기에는 너무 짧은 수명을 가졌을 수 있음을 나타낸다.^[j] 이후의 성공적인 실험은 반감기와 단면적이 실제로 원자 번호가 증가함에 따라 감소하여, 각 실험에서 가장 무거운 원소의 수명이 짧은 몇 개의 원자만을 합성하게 된다는 것을 밝혀냈다.^[55] 2022년 기준 안정성의 섬 근처 초중원소 핵종에 대해 보고된 가장 높은 단면적은 ²⁴³Am과 ⁴⁸Ca 사이의 반응에서 ²⁸⁸Mc에 대한 것이다.^[42]

자연에서 유사한 탐색도 실패했는데, 이는 초중원소가 자연에 존재한다면 그 풍부도가 광석 1 몰당 10⁻¹⁴몰 미만임을 시사한다.^[56] 장수명 초중원소 핵을 관찰하려는 이러한 실패에도 불구하고,^[34] 새로운 초중 원소는 수년마다 경이온 폭격과 냉융합^[k] 반응을 통해 실험실에서 합성되었다. 최초의 초악티늄족 원소인 러더포듐은 1969년에 발견되었고, Z = 114로 예측된 안정성의 섬에 8개의 양성자가 더 가까운 코페르니슘은 1996년까지 도달되었다. 이 핵종의 반감기는 매우 짧지만 (수 초 단위),^[40] 러더포듐보다 무거운 원소의 존재 자체가 닫힌 껍질에서 발생한다고 생각되는 안정화 효과를 나타낸다. 그러한 효과를 고려하지 않는 모델은 빠른 자발 핵분열로 인해 이러한 원소는 존재하지 못한다고 바라본다.^[19]

예상되는 마법수 양성자인 114개를 가진 플레로븀은 1998년 러시아 두브나의 합동원자핵연구소에서 유리 오가네샨이 이끄는 물리학자 연구진이 처음으로 합성했다. 원소 114번의 단일 원자가 수명 30.4초로 검출되었으며, 그 붕괴 생성물은 수분 단위로 측정되는 반감기를 가졌다.^[57] 생성된 핵이 핵분열 대신 알파 붕괴를 겪었고, 반감기가 이전에 예측되었거나^[l] 초중원소에서 관찰된 것보다 여러 크기 정도 더 길었기 때문에,^[57] 이 사건은 안정성의 섬의 존재에 대한 강력한 증거를 제공하는, 안정성의 섬의 특징적인 붕괴 사슬의 "교과서적인 예"로 여겨졌다.^[59] 원래의 1998년 붕괴사슬은 다시 관찰되지 않았고, 관련 붕괴 핵종은 여전히 불확실하지만^[44] 다음 20년 동안의 추가적인 성공적인 여러 실험은 오가네손까지의 모든 원소의 발견으로 이어졌고, 그 반감기는 초기에 예측된 값을 초과하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 붕괴 특성은 안정성의 섬의 존재를 더욱 뒷받침한다.^[6][47][60] 그러나 2021년 플레로븀 동위 원소의 붕괴 사슬에 대한 연구는 알려진 핵 (N = 174) 영역에서 Z = 114로 인한 강력한 안정화 효과가 없으며,^[61] 추가적인 안정성은 주로 중성자 껍질 닫힘의 결과일 것이라고 제안한다.^[37] 알려진 핵종이 최대 안정성이 예상되는 N = 184에 비해 여전히 여러 중성자가 부족하고 (가장 중성자가 풍부한 확인된 핵종인 ²⁹³Lv와 ²⁹⁴Ts는 N = 177에 불과하다), 섬 중심의 정확한 위치는 여전히 알 수 없지만^[62][6] N = 184에 가까워질수록 안정성이 증가하는 경향은 입증되었다. 예를 들어, ²⁷⁷Cn보다 8개의 중성자가 더 많은 동위 원소 ²⁸⁵Cn은 반감기가 거의 5자리 수 더 길다. 이러한 경향은 껍질 닫힘 근처의 알려지지 않은 더 무거운 동위 원소에서도 계속될 것으로 예상된다.^[63]

변형된 핵

짝수 Z 초중원소의 관찰된 붕괴 사슬 요약으로, 사슬 3, 5, 8의 추정되는 잠정 핵종을 포함한다.^[44] 다른 분석에 따르면, 사슬 3 (원소 120번에서 시작)은 실제 붕괴 사슬이 아니라 무작위 사건의 연속이다.^[64] 중성자 과잉 (N − Z, 양성자와 중성자 수의 차이)이 증가하는 동위 원소에서 안정성이 증가하는 일반적인 경향이 있으며, 특히 원소 110번, 112번, 114번에서 두드러지게 나타나 안정성의 섬 중심이 훨씬 더 무거운 동위 원소 사이에 있음을 강력히 시사한다.

N = 184 주변의 안정성의 섬 내 핵은 구형일 것으로 예측되지만, 1990년대 초 (1991년 폴란드 물리학자 지그문트 파티크 (Zygmunt Patyk)와 아담 소비체프스키 (Adam Sobiczewski)부터 시작)^[65]의 연구는 일부 초중원소가 완벽한 구형 핵을 가지지 않는다는 것을 시사한다.^[66][67] 핵 모양의 변화는 껍질 내 중성자와 양성자의 위치를 변경시킨다. 연구에 따르면 구형 마법수에서 멀리 떨어진 큰 핵은 변형되어^[67] 마법수가 이동하거나 새로운 마법수가 나타나게 된다. 현재 이론적 연구는 Z = 106~108 및 N ≈ 160~164 영역에서 핵이 변형된 핵의 껍질 효과의 영향으로 핵분열에 더 강할 수 있음을 나타낸다. 따라서 이러한 초중원소 핵은 알파 붕괴만 겪을 것이다.^[68][69][70] 하슘-270은 이제 이중 마법 변형 핵으로, 변형된 마법수 Z = 108 및 N = 162를 갖는 것으로 추정된다.^[71] 반감기는 9초이다.^[40] 이는 악티늄족과 N = 184 근처의 안정성의 섬 사이의 핵의 변형된 특성을 고려하는 모델과 일치하며, Z = 108 및 N = 162의 변형된 마법수에서 안정성의 "반도"가 나타난다.^[72][73] N = 162 근처의 인접한 하슘 및 시보귬 동위 원소의 붕괴 특성 결정은 변형된 핵의 상대적 안정성 영역에 대한 추가적인 강력한 증거를 제공한다.^[49] 또한 안정성의 섬 (구형 핵의 경우)이 안정 핵 영역과 완전히 고립된 것이 아니라, 오히려 두 영역이 상대적으로 안정적인 변형된 핵의 지협을 통해 연결되어 있음을 강력히 시사한다.^[72][74]

예측된 붕괴 특성

알려진 핵에 검은색 윤곽선이 있는 초중원소 핵의 예측된 붕괴 모드를 가리키는 다이어그램. 가장 중성자가 부족한 핵과 N = 184의 껍질 닫힘 바로 너머의 핵은 주로 자발 핵분열 (SF)을 겪을 것으로 예측되며, 알파 붕괴 (α)는 섬에 더 가까운 중성자가 부족한 핵에서 우세할 수 있고, 상당한 베타 붕괴 (β) 또는 전자 포획 (EC) 가지가 ²⁹¹Cn 및 ²⁹³Cn 주변의 섬 중심에 가장 가까이 나타날 수 있다.^[2]

안정성의 섬에 있는 핵의 반감기는 "섬에 있는" 핵종 중 어느 것도 관찰되지 않았으므로 정확히 알려져 있지 않다. 많은 물리학자는 이 핵종의 반감기가 상대적으로 짧아, 수분 또는 수일 정도라고 믿는다.^[62] 일부 이론적 계산은 반감기가 100년 정도^[2][55] 또는 심지어 10⁹년만큼 길 수도 있다고 나타낸다.^[5]

N = 184에서의 껍질 닫힘은 알파 붕괴와 자발 핵분열에 대한 더 긴 부분 반감기를 띄게 될 것으로 예측된다.^[2] 껍질 닫힘은 ²⁹⁸Fl 주변 핵종에 대해 더 높은 핵분열 장벽을 가지게 만들어 핵분열을 강력히 억제하고, 껍질 닫힘의 영향을 받지 않는 핵종보다 핵분열 반감기가 30자리 수 더 길게 될 수도 있다고 믿어진다.^[34][75] 예를 들어, 중성자가 부족한 동위 원소 ²⁸⁴Fl (N = 170)은 2.5밀리초의 반감기로 핵분열을 겪으며, N = 184 껍질 닫힘 근처에서 안정성이 증가한 가장 중성자가 부족한 핵종 중 하나로 여겨진다.^[43] 이 지점을 넘어서면 일부 미발견 동위 원소는 여전히 더 짧은 반감기로 핵분열을 겪을 것으로 예측되어 안정성의 섬에서 멀리 떨어진 초중 핵종 (즉 N < 170 뿐만 아니라 Z > 120 및 N > 184)의 존재^[m]와 가능한 관찰^[j]을 제한한다.^[14][19] 이러한 핵은 마이크로초 또는 그 이하로 알파 붕괴 또는 자발 핵분열을 겪을 수 있으며, 일부 핵분열 반감기는 핵분열 장벽이 없는 경우 10⁻²⁰초 단위로 추정된다.^{[68][69][70][75]} 대조적으로, ²⁹⁸Fl (최대 껍질 효과 영역 내에 있을 것으로 예측됨)은 훨씬 더 긴 자발 핵분열 반감기를 가질 수 있으며 대략적으로 10¹⁹년 단위이다.^[34]

섬의 중심에서는 알파 붕괴와 자발 핵분열 사이에 경쟁이 있을 수 있지만, 정확한 비율은 모델에 따라 다르다.^[2] 100 ≤ Z ≤ 130인 핵 1700개의 알파 붕괴 반감기는 실험적 및 이론적 알파 붕괴 Q값을 사용하여 양자 터널링 모델로 계산되었으며, 가장 무거운 일부 동위 원소에 대해 관찰된 반감기와 일치한다.^{[68][69][70][79][80][81]}

가장 오래 사는 핵종은 베타 안정선에 있을 것으로 예측된다. 왜냐하면 베타 붕괴가 섬의 예측된 중심 근처, 특히 원소 111~115번의 동위 원소에 대해 다른 붕괴 모드와 경쟁할 것으로 예측되기 때문이다. 이 핵종에 대해 예측된 다른 붕괴 모드와 달리 베타 붕괴는 질량수를 바꾸지 않는다. 대신 중성자가 양성자로 또는 그 반대로 전환되어 안정성 중심에 더 가까운 인접 동중 원소 (가장 낮은 질량 과잉을 갖는 동중 원소)를 생성한다. 예를 들어, ²⁹¹Fl 및 ²⁹¹Nh와 같은 핵종에서 상당한 베타 붕괴 가지가 존재할 수 있다. 이 핵종은 알려진 핵종보다 중성자가 몇 개 더 많으며, 안정성의 섬 중심을 향한 "좁은 경로"를 통해 붕괴할 수 있다.^[1][2] 베타 붕괴의 가능한 역할은 매우 불확실하다. 왜냐하면 이러한 원소의 일부 동위 원소 (예: ²⁹⁰Fl 및 ²⁹³Mc)는 알파 붕괴에 대해 더 짧은 부분 반감기를 가질 것으로 예측되기 때문이다. 베타 붕괴는 경쟁을 줄이고 알파 붕괴가 지배적인 붕괴 방향으로 남게 할 것이다. 단, 이러한 핵종의 초변형 이성질핵에 알파 붕괴에 대한 추가적인 안정성이 존재하는 경우가 아니라면 말이다.^[82]

일본 원자력 연구 개발 기구의 이론적 연구에서 파생된 이 예측 붕괴 모드 차트는 ²⁹⁴Ds 주변의 안정성의 섬 중심을 예측한다. 이는 주로 알파 붕괴를 겪는 여러 상대적으로 장수명 핵종 중 가장 오래 사는 핵종일 것이다 (원으로 표시됨). 이 영역은 베타 안정선이 N = 184에서의 껍질 닫힘의 영향으로 안정화된 영역을 가로지르는 곳이다. 왼쪽과 오른쪽으로는 핵분열이 지배적인 붕괴 모드가 되면서 반감기가 감소하며, 이는 다른 모델과 일치한다.^[14][75]

모든 붕괴 모드를 고려할 때, 다양한 모델이 섬의 중심 (즉, 가장 오래 사는 핵종)이 ²⁹⁸Fl에서 더 낮은 원자 번호로 이동하고, 이 핵종에서 알파 붕괴와 자발 핵분열 사이에 경쟁이 있음을 나타낸다.^[83] 여기에는 ²⁹¹Cn 및 ²⁹³Cn의 100년 반감기,^{[55][78] 296}Cn의 1000년 반감기,^{[55] 294}Ds의 300년 반감기,^{[75] 293}Ds의 3,500년 반감기가 포함되며,^{[69][70] 294}Ds와 ²⁹⁶Cn은 정확히 N = 184 껍질 닫힘에 있다. 또한 원소 112 ≤ Z ≤ 118에 대한 이러한 향상된 안정성 영역이 핵 변형의 결과일 수 있으며, 구형 초중원소 핵에 대한 안정성의 섬의 진정한 중심은 ³⁰⁶Ubb (Z = 122, N = 184) 주변에 있을 수 있다고 가정되었다.^[20] 이 모델은 안정성의 섬을 가장 긴 총 반감기가 아닌 핵분열에 대한 가장 큰 저항력을 가진 영역으로 정의한다.^[20] 핵종 ³⁰⁶Ubb는 여전히 알파 붕괴에 대해 짧은 반감기를 가질 것으로 예측된다.^[2][70] 또한 구형 핵에 대한 안정성의 섬은 N = 184와 114 ≤ Z ≤ 120 주변의 "산호초" (즉, 명확한 "정점"이 없는 넓게 퍼진 안정성이 증가한 영역)일 수 있으며, 양성자 및 중성자 껍질 닫힘의 복합적인 효과로 인해 원자 번호가 높을수록 반감기가 빠르게 감소한다.^[84]

가장 무거운 초중 원소에 대한 또 다른 이론적으로 중요한 붕괴 모드는 루마니아 물리학자 도린 포에나루 (Dorin N. Poenaru)와 라두 게르게스쿠 (Radu A. Gherghescu) 및 독일 물리학자 발터 그라이너 (Walter Greiner)가 제안한 뭉치 붕괴 모드이다. 알파 붕괴에 대한 분지비는 원자 번호가 증가함에 따라 증가하여 Z = 120 근처에서 알파 붕괴와 경쟁할 수 있으며, Z = 124 주변의 더 무거운 핵종에서는 지배적인 붕괴 모드가 될 수도 있다. 따라서 섬 중심이 예측된 것보다 더 높은 원자 번호에 있지 않는 한, 안정성의 섬 중심을 넘어선 영역 (그러나 여전히 껍질 효과의 영향을 받음)에서 더 큰 역할을 할 것으로 예상된다.^[85]

가능한 자연 발생

 초중원소의 절멸한 동위 원소 문서를 참고하십시오.

수백 또는 수천 년의 반감기는 초중원소에게는 상대적으로 길겠지만, 그러한 핵종이 지구상에 자연적으로 존재하기에는 너무 짧다. 또한, 원시 악티늄족 (²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U)과 안정성의 섬 사이의 중간 핵의 불안정성은 R-과정 핵합성에서 섬 내 핵의 생성을 억제할 수 있다. 다양한 모델에서 A > 280인 핵의 지배적인 붕괴 모드가 자발 핵분열일 것이며, 중성자 유도 또는 베타 지연 핵분열 (각각 중성자 포획 및 베타 붕괴 직후 핵분열)이 주요 반응 양상이 될 것이라고 제안한다. 결과적으로, 안정성의 섬을 향한 베타 붕괴는 매우 좁은 경로 내에서만 발생하거나 핵분열에 따라 완전히 차단되어 섬 내 핵종의 합성을 방해할 수 있다.^[86] 자연에서 ²⁹²Hs 및 ²⁹⁸Fl과 같은 초중 핵종이 관찰되지 않는 것은 이러한 메커니즘으로 인한 r-과정의 낮은 수율과 자연에 측정 가능한 양이 지속될 수 있도록 하기에는 너무 짧은 반감기가 합쳐진 이유로 추정된다.^[87][n] 가속 질량 분석 및 결정 섬광체를 활용한 다양한 연구는 그러한 장수명 초중원소 핵의 자연 풍부도에 대한 상한을 안정적인 동족체에 비해 10⁻¹⁴ 정도로 보고했다.^[90]

이러한 합성의 장애물에도 불구하고, 2013년 발레리 자그레바예프 (Valeriy Zagrebaev)가 이끄는 러시아 물리학자 연구진이 발표한 연구는 가장 오래 사는 코페르니슘 동위 원소가 납에 비해 10⁻¹²의 풍부도로 존재할 수 있으며, 이에 따라 우주선에서 검출될 수 있다고 제안한다.^[63] 마찬가지로, 2013년 실험에서 알렉산드르 바굴리아 (Aleksandr Bagulya)가 이끄는 러시아 물리학자 연구진은 운석의 감람석 결정에서 3개의 우주 기원 초중원소 핵이 관찰될 수 있다고 보고했다. 이 핵의 원자 번호는 105번에서 130번 사이로 추정되었으며, 한 핵은 113번에서 129번 사이로 제한될 가능성이 있었고 그 수명은 최소 3,000년으로 추정되었다. 이 관찰은 독립적인 연구에서 아직 확인되지 않았지만, 안정성의 섬의 존재를 강력히 시사하며 이 핵종의 반감기에 대한 이론적 계산과 일치한다.^[91][92][93]

안정성의 섬에 있는 무겁고 장수명 원소의 붕괴는 프시빌스키의 별에서 관찰되는 단수명 방사성 동위 원소의 특이한 존재에 대한 가설이기도 하다.^[94]

합성 및 어려움

N = 178 및 Z = 112 주변 안정성의 섬의 3차원 렌더링

안정성의 섬에 있는 핵을 제조하는 것은 매우 어렵다. 출발 물질로 사용 가능한 핵이 필요한 중성자 합계까지 닿지 않기 때문이다. 방사성 이온 빔(예: ⁴⁴S)과 Cm과 같은 악티늄족 표적을 결합하면 안정성의 섬 중심에 더 가까운 중성자가 많은 핵을 생산할 수 있지만, 현재 그러한 실험을 수행하는 데 필요한 강도로 빔을 사용할 수 없다.^{[63][95][96] 250}Cm 및 ²⁵⁴Es와 같은 몇몇 더 무거운 동위 원소는 여전히 표적으로 사용될 수 있어 알려진 동위 원소보다 중성자가 하나 또는 두 개 더 많은 동위 원소를 생산할 수 있지만,^[63] 이러한 희귀 동위 원소를 몇 밀리그램 생산하여 표적을 만드는 것은 어렵다.^[97] 가장 중성자가 풍부한 알려진 동위 원소를 생성하는 동일한 ⁴⁸Ca 유도 융합-증발 반응에서 대체 반응 채널을 탐색하는 것도 가능할 수 있다. 즉, 더 낮은 들뜬 상태 에너지 (탈여기 동안 방출되는 중성자가 더 적음)를 갖는 채널 또는 전하를 띤 입자 증발 (양성자 및 여러 중성자를 증발시키는 pxn 또는 알파 입자 및 여러 중성자를 증발시키는 αxn)을 포함하는 채널이다.^[98] 이를 통해 원소 111~117번의 중성자가 많은 동위 원소를 합성할 수 있다.^[99] 예측된 단면적은 1~900 fb 정도이며, 중성자만 증발하는 경우 (xn 채널)보다 작지만 이러한 반응에서 다른 방법으로는 도달할 수 없는 초중원소 동위 원소를 생성하는 것이 여전히 가능할 수 있다.^{[98][99][100] 291}Mc, ²⁹¹Fl, ²⁹¹Nh와 같은 이러한 더 무거운 동위 원소 중 일부는 상대적으로 긴 반감기를 갖는 알파 붕괴 외에도 전자 포획 (양성자를 중성자로 변환)을 겪을 수 있으며 안정성의 섬 중심 근처에 있을 것으로 예측되는 ²⁹¹Cn과 같은 핵으로 붕괴한다. 그러나 이는 베타 안정선 근처의 초중원소 핵종이 아직 합성되지 않았고 그 특성에 대한 예측이 모델마다 상당히 다르기 때문에 주로 가설로만 남아 있다.^[1][63] 2024년 JINR의 연구팀은 중성자가 부족한 리버모륨 동위 원소의 생성을 목표로 하는 ²⁴²Pu와 ⁵⁰Ti 사이의 반응의 p2n 채널에서 알려진 동위 원소 ²⁸⁹Mc의 한 붕괴 사슬을 관찰했다. 이는 악티늄족 표적과 Z ≥ 20의 발사체 사이의 뜨거운 융합 반응에서 전하를 띤 입자 방출 채널에 대한 최초의 성공적인 보고였다.^[101]

²⁵⁷Fm만큼 무거운 핵종을 생산하는 데 사용되는 느린 중성자 포획 과정은 자발 핵분열을 겪는 단수명의 페르뮴 동위 원소 (예: ²⁵⁸Fm은 370 μs의 반감기를 가짐) 때문에 차단된다. 이는 "페르뮴 간극"으로 알려져 있으며, 그러한 반응에서 더 무거운 원소의 합성을 방해한다. 이 간극과 A = 275 및 Z = 104–108 주변의 또 다른 불안정성 영역을 통과하는 것은 천체 물리학적 r-과정을 모방하는 더 높은 중성자 선속 (기존 원자로의 선속보다 약 1000배 더 큼)을 가진 일련의 제어된 핵폭발에서 가능할 수 있다.^[63] 1972년 멜드너가 처음 제안한 그러한 반응은 안정성의 섬 내에서 거시적인 양의 초중 원소를 생산할 수 있다고 추정된다.^[1] 중간 초중 핵종에서 핵분열의 역할은 매우 불확실하며, 그러한 반응의 수율에 강하게 영향을 미칠 수 있다.^[86]

일본 원자력 연구 개발 기구에서 사용하는 이 핵종 차트는 Z = 149 및 N = 256까지의 핵의 알려진 (상자 안) 및 예측된 붕괴 모드를 보여준다. N = 184 (²⁹⁴Ds–²⁹⁸Fl) 및 N = 228 (³⁵⁴126)의 예측된 껍질 닫힘 주변에서 안정성이 증가하는 영역이 보이며, 짧은 수명의 핵분열 핵 (t_1/2 < 1 ns; 차트에 색칠되지 않음)의 간극으로 분리되어 있다.^[75]

안정성의 섬에 있는 동위 원소, 예를 들어 ²⁹⁸Fl은 악티늄족 핵 (예: ²³⁸U 및 ²⁴⁸Cm)의 저에너지 충돌에서 다핵자 전이 반응으로 생성될 수도 있다.^[95] 이 역 준핵분열 (부분 융합 후 핵분열, 질량 평형에서 벗어나 더 비대칭적인 생성물 생성) 메커니즘^[102]은 Z = 114 주변의 껍질 효과가 충분히 강하다면 안정성의 섬으로 가는 길을 제공할 수 있지만, 노벨륨 및 시보귬 (Z = 102~106)과 같은 더 가벼운 원소는 더 높은 수율을 가질 것으로 예측된다.^{[63][103] 238}U + ²³⁸U 및 ²³⁸U + ²⁴⁸Cm 전이 반응에 대한 예비 연구는 멘델레븀 (Z = 101)보다 무거운 원소를 생산하지 못했지만, 후자 반응의 증가된 수율은 ²⁵⁴Es와 같은 더 무거운 표적 (가능하다면)의 사용이 초중원소의 생산을 가능할 수 있음을 시사한다.^[104] 이 결과는 더 무거운 표적을 사용하는 전이 반응에서 초중원소 핵종 (Z ≤ 109)의 수율이 더 높을 것이라고 제안하는 이후의 계산에 뒷받침된다.^[96] 2018년 사라 벤셸 (Sara Wuenschel) 등이 텍사스 A&M 사이클로트론 연구소에서 수행한 ²³⁸U + ²³²Th 반응 연구는 104 < Z < 116의 새로운 중성자가 많은 초중원소 동위 원소에 기인할 수 있는 여러 알려지지 않은 알파 붕괴를 발견했지만, 생성물의 원자 번호를 명확하게 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.^[96][105] 이 결과는 껍질 효과가 단면적에 상당한 영향을 미치며, 전이 반응을 통한 미래의 실험에서 안정성의 섬에 도달할 수 있음을 강력히 시사한다.^[105]

다른 안정성의 섬

 확장 주기율표 문서를 참고하십시오.

Z = 112–114 부근의 주 안정성의 섬을 넘어선 추가적인 껍질 닫힘은 추가적인 안정성의 섬을 만들 수 있다. 다음 마법수 위치에 대한 예측은 상당히 다르지만, 두 개의 중요한 섬이 더 무거운 이중 마법 핵 주변에 존재한다고 추정된다. 첫 번째는 ³⁵⁴126 (중성자 228개) 근처이고, 두 번째는 ⁴⁷²164 또는 ⁴⁸²164 (중성자 308개 또는 318개) 근처이다.^{[34][75][106]} 이 두 안정성의 섬 내 핵종은 자발 핵분열에 특히 강하고, 알파 붕괴 반감기가 수년 단위로 측정될 수 있어 플레로븀 근처 원소와 유사한 안정성을 가질 수 있다.^[34] 베타 안정 핵종에서 더 약한 양성자 껍질 닫힘과 함께 다른 상대적 안정성 영역도 나타날 수 있다. 그러한 가능성에는 ³⁴²126^[107] 및 ⁴⁶²154^[108] 근처 영역이 포함된다. 이러한 무거운 핵의 양성자 사이의 훨씬 더 큰 전자기적 반발력은 핵의 안정성을 크게 감소시키고, 껍질 효과 근처의 국부적인 섬으로 안정된 핵의 존재를 제한할 수 있다.^[109] 이는 중간 핵종 및 아마도 "불안정성의 바다"에 있는 원소가 빠르게 핵분열을 겪어 본질적으로 존재하지 않게 되어 이러한 섬을 주 핵종표에서 고립시키는 결과를 초래할 수 있다.^[106] 또한 원소 126번 주변의 상대적 안정성 영역을 넘어선 더 무거운 핵은 액체 방울 모델에서 주어진 핵분열 임계값을 넘어설 수 있으며, 따라서 매우 짧은 수명으로 핵분열을 겪어 더 큰 마법수 근처에서도 본질적으로 원소가 존재하지 않게 될 가능성이 있다.^[107]

또한 A > 300 영역에서는 쿼크 물질의 가설적인 안정상으로 구성된 전체 "안정성의 대륙"이 존재할 수 있다고 가정되었다. 이는 쿼크가 양성자와 중성자로 묶여 있는 대신 자유롭게 흐르는 위 쿼크와 아래 쿼크로 구성된 것이다. 이러한 형태의 물질은 핵물질보다 중입자당 더 큰 결합 에너지를 가진 중입자 물질의 바닥 상태로 이론화되어, 이 질량 임계값을 넘어선 핵물질이 쿼크 물질로 붕괴하는 것을 선호한다. 이 물질 상태가 존재한다면, 일반적인 초중원소 핵으로 이어지는 동일한 융합 반응에서 합성될 수 있으며, 쿨롱 반발력을 극복하기에 충분한 강력한 결합으로 인해 핵분열에 대해 안정화될 것이다.^[110]

같이 보기

• 반전의 섬
• 핵종표

내용주

1. 가장 무거운 안정 원소는 비스무트 (원자 번호 83)로 믿어졌으나, 2003년 유일한 안정 동위 원소인 ²⁰⁹Bi가 알파 붕괴를 겪는 것이 관찰되었다.^[10]
2. 다른 관측상 안정된 핵종도 이론적으로 붕괴할 수 있지만, 예측된 반감기가 너무 길어서 이 과정이 관찰된 적이 없다.^[11]
3. 증가된 안정성 영역은 토륨 (Z = 90)과 우라늄 (Z = 92)을 포함하며, 이들의 반감기는 지구의 나이와 비슷하다. 비스무트와 토륨 사이의 원소는 반감기가 더 짧고, 우라늄을 넘어선 더 무거운 핵은 원자 번호가 증가할수록 더욱 불안정해진다.^[12]
4. 다른 출처들은 반감기에 대해 다른 값을 제공한다; 문헌 및 NUBASE에 가장 최근에 발표된 값들이 참고용으로 모두 나열되어 있다.
5. 미확인된 ²⁷⁸Bh는 11.5분으로 더 긴 반감기를 가질 수 있다.^[44]
6. 원소 109–118의 경우, 알려진 가장 오래 사는 동위 원소는 항상 지금까지 발견된 가장 무거운 동위 원소이다. 이는 훨씬 더 무거운 동위 원소들 중에 더 오래 사는 미발견 동위 원소가 있을 가능성이 높다는 것을 의미한다.^[47]
7. 미확인된 ²⁸²Mt는 1.1분으로 더 긴 반감기를 가질 수 있다.^[44]
8. 미확인된 ²⁸⁶Rg는 10.7분으로 더 긴 반감기를 가질 수 있다.^[44]
9. 미확인된 ²⁹⁰Fl은 19초로 더 긴 반감기를 가질 수 있다.^[44]
10. 그러한 핵종이 합성되고 일련의 붕괴 신호가 기록될 수 있지만, 1마이크로초보다 빠른 붕괴는 후속 신호와 겹쳐서 구별할 수 없게 될 수 있으며, 특히 여러 개의 특성 파악되지 않은 핵종이 형성되어 유사한 알파 입자를 연속적으로 방출할 수 있는 경우 더욱 알아보기 힘들어진다.^[77] 따라서 가장 큰 어려움은 붕괴를 올바른 모핵에 귀속시키는 것이다. 왜냐하면 검출기에 도달하기 전에 붕괴하는 초중원소 원자는 전혀 인간이 인식하지 못하기 때문이다.^[78]
11. 이는 상온 근처의 가설적 융합 (상온 핵융합)과는 다른 개념이다. 더 낮은 들뜸 에너지를 갖는 융합 반응을 의미한다.
12. 오가네샨은 원소 114번이 이론화된 섬 근처의 안정화 효과가 없다면 10⁻¹⁹초의 반감기를 가질 것이라고 언급했다.^[58]
13. 국제 순수·응용 화학 연합 (IUPAC)은 핵 존재의 한계를 10⁻¹⁴초의 반감기로 정의한다. 이는 핵자가 핵 껍질로 배열되어 핵종을 형성하는 데 필요한 대략적인 시간이다.^[76]
14. 이스라엘 물리학자 암논 마리노프 (Amnon Marinov) 등은 자연에서 뢴트게늄 (A = 261, 265)과 운비븀 (A = 292)의 장수명 동위 원소가 관찰되었다고 주장했지만,^[88][89] 사용된 기술에 대한 평가와 이후의 탐색 실패는 발견 결과 주장에 상당한 의심을 불러일으킨다.^[52][90]