원소로 보는 화학사 Vol.118, 원자번호 93번 ‘넵투늄’을 소개합니다
2022. 04. 08
지난 시간에는 미래의 핵연료로 기대를 모으는 원소 ‘토륨(Th,원자번호 90번)’에 대한 이야기를 들려드렸습니다. 오늘은 우라늄 연료의 부산물 ‘넵투늄’(Np,원자번호 93번)’에 대한 이야기를 준비했습니다.
원자번호 93번 ‘넵투늄(Neptunium, Np)’은 초우라늄 원소(원자번호 92번 우라늄보다 더 큰 원자번호를 갖는 원소를 말함)의 하나입니다. 넵투늄은 연성이 있는 은백색 금속으로 인공적으로 합성되어 발견된 첫 번째 초우라늄 원소이며 화학 반응성이 큰 금속 원소입니다. 악티늄족 원소 중에서는 가장 밀도가 높은데, 우라늄238이 중성자를 흡수하면 넵투늄239가 생성됩니다. 넵투늄은 천연에는 존재하지 않는 원소로 알려졌으나 우주선에 의한 2차 중성자 또는 우라늄, 토륨의 자발적 핵분열 등으로 생긴 중성자와의 반응으로 생겨나 일부 우라늄 광석 속에 미량 함유되어 있는 것으로 밝혀졌습니다.
1940년 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 에드윈 매티슨 맥밀런 (Edwin Mattison McMillan, 1907~1991)과 필립 에이블슨 (Philip Hauge Abelson, 1913~2004)은 미국 버클리 캘리포니아대학교에 있는 사이클로트론에서 우라늄의 중성자를 조사하고 그 핵분열 생성물을 분석해 넵투늄을 최초로 발견했습니다. 맥밀런은 우라늄 표적에 사이클로트론(Cyclotron)에서 생성된 저속 중성자를 쪼이면 새로운 β 선(베타선)이 나오는 것을 관찰하였습니다. 에이블슨은 이 β선이 새로운 원소에서 나오는 것이며, 이 새로운 원소는 원자번호는 93번이고 질량수는 239임을 밝혀냈습니다. 에이블슨은 맥밀런에게서 시료를 받아 해석했는데 단 3일간의 연구로 새로운 원소의 발견자라는 영예를 얻었습니다. 에이블슨과 맥밀런은 이 원소가 주기율표에서 행성 천왕성(Uranus)를 따서 이름 지어진 우라늄 바로 다음에 있어, 그 이름을 태양계에서 천왕성 바로 다음에 있는 행성 해왕성(Neptune)을 따서 넵투늄(Neptunium)으로 지었습니다.
현재 전 세계 원자로에서 넵투늄이 연간 60t 생성되는 것으로 알려져 있습니다. 매년 우라늄 연료를 이용한 원자력 발전의 부산물로 상당한 양의 넵투늄이 생성되지만, 넵투늄과 넵투늄 화합물의 상업적 용도는 아직 없으며 극히 제한적으로 쓰입니다. 넵투늄237에서 중성자 한 개만 흡수하면 플루토늄-238이 됩니다. 넵투늄은 원자력 전지에 쓰이는 플루토늄238을 제조하는 데만 소량 활용되고 있습니다. 또한 넵투늄은 이론적으로는 핵 무기 제조와 핵 연료에 사용할 수 있습니다.
넵투늄 이후의 원소는 모두 인공적으로 합성한 것인데, 천연으로 비교적 풍부하게 존재하는 원소 중에서 923번 우라늄의 원자번호가 가장 크기 때문에 93번 이후의 원소는 초우라늄 원소라 부릅니다. 즉 넵투늄은 최초의 초우라늄 원소입니다.
출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) /원소가 뭐 길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)
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