지난 시간에는 기초과학 연구 외 용도가 없는 원소 ‘리버모륨(Lv, 원자번호 116번)에 대해 소개해 드렸습니다. 오늘은 철보다 훨씬 강한 성질을 가지고 있으며, 영구자석의 재료로 쓰이는 ‘사마륨(Sm, 원자번호 62번)’에 대한 이야기를 준비했습니다.
사마륨(samarium)은 원자번호 62번으로 은백색의 비교적 단단한 고체 금속입니다. 란탄족 원소에 속하는 천연으로 존재하는 동위원소이며, 약한 방사능을 띄고 굳기와 밀도는 아연(Zn)과 비슷한 것으로 알려져 있습니다.
사마륨은 희토류의 원광((原鑛)으로 알려진 모나자이트(monazite), 바스트네사이트(bastnaesite)에 함유되어 있습니다. 사마륨의 대표적인 용도는 영구자석으로 희토류 금속과 철족 원소의 조합에 의해 자기 방향이 쉽게 일치되는 결정구조가 만들어져 강한 자성을 발휘합니다.
원소 이름은 대부분 그 원소가 발견된 광물, 지역, 관련 신화, 발견 당시의 천문학 쟁점, 원소의 색이나 촉감 등을 근거로 지어지는데요. 사마륨은 최초 광석 발견자의 이름을 따서 지은 원소입니다.
1847년 러시아의 광산공병단 참모장 바실리 사마스키 비코베츠(Vasili Samarsky-Bykhovets)는 사마륨이 포함된 사마스카이트 광석을 처음 발견했습니다. 사마스키는 독일 광물학자 로제(Heinrich Rose, 1795~1864)에게 이 광석을 주어 연구하도록 하였는데, 로제는 이 광물을 발견자인 사마스키의 이름에서 따 사마스카이트(samarskite)라고 명명했습니다.
1879년 프랑스의 화학자 폴 에밀 르코크 드 부아보드랑(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran, 1838~1912)은 미국 노스캐롤라이나주의 광산에서 채취한 사마스카이트 광석에서 추출한 디디뮴의 질산염에서 사마륨을 온전히 분리해 냈습니다.
중성자 제어봉 이미지 출처: 위키백과
사마륨은 높은 온도에서도 강한 자성을 유지하고 잘 녹슬지 않는 장점이 있어 코발트와 합금시켜 강한 영구자석을 만드는 데 쓰입니다. 1979년 소니(Sony)의 워크맨(walkman)이 탄생한 것도, 희토류인 사마륨(Sm)으로 만든 강력한 자석이 있었기에 가능했다고 전해집니다. 사마륨은 자외선과 적외선을 모두 흡수해 차단하는 광학적 특성이 있어 광학 유리를 만드는 데도 쓰입니다. 촬영장에서 쓰는 탄소 아크 조명에도 이용되며, 염화칼슘 결정에 첨가해 레이저를 만들기도 합니다. 화학 반응 촉매와 시약, 암성 방사능 연대 측정기 등에도 유용하게 사용됩니다.
사마륨은 중성자 제어봉의 재료이기도 합니다. 원자력 발전은 원자로에서 원자핵이 중성자를 흡수해 핵분열을 일으키는 동시에 새로운 중성자를 방출하고 다시 그 중성자를 흡수해 핵분열을 일으키는 방식으로 이루어집니다. 그런데 연쇄 반응이 계속되면 원자로의 온도가 빠르게 오르거나 핵분열 현상이 과도하게 일어나 폭발할 위험이 있습니다. 그래서 만든 안전장치가 중성자 제어봉입니다. 중성자 제어봉은 핵분열 과정에서 만들어지는 중성자를 흡수해 핵분열을 통제할 수 있게 도와줍니다. 또, 사마륨147은 엄청나게 긴 반감기를 지닌 동위원소(우주 나이보다 긴 1060억 년으로 추정)로 태양계 형상 당시의 연대측정에 쓰이기도 했습니다.
사람의 이름을 따서 원소 명이 지어진 최초의 원소 사마륨 ‘사마륨(Sm, 원자번호 62번)’에 대한 이야기 어떠셨나요? 1969년 처음 등장한 사마륨-코발트자석은 1982년에 네오디뮴자석이 등장하기 전까지 가장 강력한 자석이었다고 합니다. 네오디뮴자석이 철을 주성분으로 해 쉽게 녹이 스는 데 반해 사마륨자석은 네오디뮴자석보다 내식성이 뛰어나 고온에서 자성을 유지합니다. 고온에서 자성을 유지하는 특징으로 인해 사마륨-코발트자석은 높은 가격에도 불구하고 여전히 마이크로파 기기나 고온에서 사용되는 소형 모터 등에 사용되고 있습니다. 다음 이 시간에는 UFO의 연료가 된다는 속설을 가진 원소 모스코븀(Mc, 원자번호 115번)에 대한 이야기를 들고 돌아오겠습니다.
<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)
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