안정의 섬

Island of stability
Jimmy Carter의 연설은 Asland of Stabilization (Speech)을 참조하십시오.

핵물리학에서 안정성 섬은 이러한 원소의 알려진 동위원소보다 상당히 긴 반감기를 가질 수 있는 초중량 원소의 예측된 동위원소 집합이다.알려진 안정적이고 장수하는 원시 방사성핵종과 분리된 핵종 차트에서 "섬"으로 나타날 것으로 예측된다.그것의 이론적 존재는 초중량 영역에서 양성자와 중성자의 예측된 "마법적 수"의 영향을 안정화시킨 데 기인한다.[1][2]

A diagram showing the measured and predicted half-lives of heavy and superheavy nuclides, as well as the beta stability line and predicted location of the island of stability.
핵 공동 연구소의 측정(상자) 및 예측된 초중량 핵종의 반감기를 보여 주는 다이어그램으로, 양성자와 중성자 수로 정렬된다.Z = 112 주변의 안정섬의 예상 위치가 동그라미 친다.[3][4]
핵물리학
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일반적으로 N = 184에서 예측된 닫힌 중성자 껍질 근처에 있는 코페르니슘과 플레로비움 동위원소 근처를 중심으로 생각되지만, 안정성 섬의 정확한 위치에 대해서는 여러 가지 예측이 이루어졌다.[4]이 모델들은 닫힌 껍질이 핵분열과 알파 붕괴에 더 큰 안정성을 부여할 것임을 강력히 시사한다.이러한 영향은 원자 번호 Z = 114와 N = 184에 근접하여 가장 클 것으로 예상되지만, 안정성이 높아진 영역은 인접한 여러 원소를 포괄할 것으로 예상되며, 이중 마법(양자와 중성자의 마법 수를 모두 갖는 것)인 무거운 핵 주위에 추가적인 안정 섬이 있을 수도 있다.섬에서 원소의 안정성에 대한 추정치는 보통 반감기가 분이나 일 정도인데, 어떤 추정치는 수백만 년의 반감기를 예측한다.[5]

마법의 숫자를 예측하는 핵탄두 모델이 1940년대부터 존재했지만, 장수 초 헤비핵종의 존재는 확실히 증명되지 않았다.나머지 초강력 원소들과 마찬가지로 안정섬의 핵종도 자연에서 발견된 적이 없기 때문에 연구하기 위해서는 핵반응에서 인위적으로 생성되어야 한다.과학자들은 섬 중앙 근처에 핵물질을 채우기 위해 새로운 형태의 반응이 필요할 가능성이 높기 때문에 그러한 반응을 수행할 방법을 찾지 못했다.그럼에도 불구하고 최대 177개의 중성자를 가진 Z = 118 (오가네손)까지의 초중량 원소의 성공적인 합성은 미지의 동위원소에서 계속될 수 있는 110 - 114 원소의 주위에 약간의 안정화 효과를 보여줌으로써 안정성의 섬이 존재함을 뒷받침한다.[4][6]

소개

핵종 안정성

참고 항목: 안정성의 계곡
Complete chart of nuclide half-lives plotted against atomic number Z and neutron number N axes.
알려진 핵종의 반감기 차트

핵종(원자핵)의 구성은 양성자 Z와 질량 A를 합한 중성자 N의 수로 정의된다.원자 번호로도 불리는 양성자 번호 Z는 주기율표에서 원소의 위치를 결정한다.약 3300개의 알려진 핵종은[7] 그 축에 대해 Z와 N으로 도표에 일반적으로 표시되며, 각 불안정한 핵종에 대해 표시된 방사성 붕괴에 대한 반감기가 표시된다(그림 참조).[8]2019년 현재 252개의 핵종이 안정적인 것으로 관찰되고 있다(부식하는 것을 관찰하지 못함).[9] 일반적으로 양성자의 수가 증가함에 따라 안정핵은 중성자-양자비(양자당 중성자 수)가 더 높다.안정 동위원소가 있는 주기율표의 마지막 원소는 납(Z = 82)이며 [a][b]안정성은 일반적으로 무거운 원소에서 감소한다.[c][12]또한 핵의 반 리브는 편중 중성자-프로톤 비율이 있을 때 감소하여 결과 핵은 안정되기에는 중성자가 너무 적거나 너무 많다.[13]

핵의 안정성은 결합 에너지, 더 높은 결합 에너지에 의해 결정되며 더 큰 안정성을 제공한다.핵당 결합 에너지는 원자 수에 따라 A = 60 주위의 넓은 고원으로 증가했다가 감소한다.[14]만약 핵이 낮은 총에너지(결합에너지가 더 큰 결과로 인한 질량결함의 결과)를 가진 두 부분으로 분할될 수 있다면 불안정한 것이다.핵은 분할에 반대되는 잠재적 장벽이 있기 때문에 유한한 시간 동안 함께 지탱할 수 있지만, 이 장벽은 양자 터널링에 의해 넘을 수 있다.장벽과 조각의 질량이 낮을수록 분할의 단위 시간 당 확률이 커진다.[15]

핵 안의 양자는 강한 힘에 의해 서로 결합되는데, 이것은 양극으로 충전된 양성자 사이의 쿨롱 거부반응을 상쇄한다.무거운 핵에서는 반발력을 줄이고 추가적인 안정성을 부여하기 위해 더 많은 수의 무충전 중성자가 필요하다.그렇더라도 물리학자들이 자연에서 발견되지 않는 원소들을 합성하기 시작하면서 핵이 무거워질수록 안정성이 떨어진다는 것을 알게 되었다.[16]따라서 그들은 주기율표가 끝날 수도 있다고 추측했다.플루토늄 발견자(element 944)는 그것이 마지막이라고 생각하고 그것을 "ultimium"이라고 명명하는 것을 고려했다.[17]더 무거운 원소의 발견에 따라, 그 중 일부는 마이크로초 단위로 붕괴되었고, 자연분열과 관련한 불안정성은 더 무거운 원소의 존재를 제한할 것으로 보였다.1939년에는 104원소를 중심으로 잠재적 원소 합성의 상한을 추정하였고,[18] 1960년대 초 transactinide 원소의 최초 발견에 따라 이 상한 예측을 108원소까지 확대하였다.[16]

Diagram showing energy levels of known and predicted proton shells, with gaps at atomic number 82, 114, 120, and 126.
알려진 양성자 쉘과 예측된 양성자 쉘의 에너지 수준을 보여주는 다이어그램(왼쪽과 오른쪽에는 두 가지 모델이 표시됨)[19]Z = 82, 114, 120, 126의 간격은 쉘 폐쇄에 해당하는데,[19] 특히 구성이 안정적이어서 핵이 더 안정되게 된다.[20]

매직넘버

1914년 초에 독일의 물리학자 리처드 스윈이 Z = 108 주변의 초중량 원소가 우주 광선의 방사원이라고 제안했을 때, 당시 가장 무거운 것으로 알려진 원소인 우라늄을 훨씬 초과하는 원자 수를 가진 초중량 원소의 존재 가능성이 제시되었다.그는 결정적인 관찰을 하지는 않았지만, 1931년 Z = 100 또는 Z = 108 주위의 트랜스우라늄 원소가 비교적 오래 살 수 있고 자연에 존재할 가능성이 있다는 가설을 세웠다.[21]1955년 미국의 물리학자 존 아치발트 휠러도 이러한 원소의 존재를 제안하였다;[22] 그는 프레데릭 베르너와 함께 발간된 1958년 논문에서 "초 헤비 원소"라는 용어를 처음으로 사용한 공로를 인정받았다.[23]이 아이디어는 핵탄두 모델이 개선된 후 10년이 지나서야 폭넓은 관심을 끌 수 있었다.이 모델에서 원자핵은 원자의 전자 껍질과 유사하게 "껍질"에 쌓인다.서로 독립적으로 중성자와 양자는 일반적으로 서로 가까운 에너지 수준을 가지지만, 주어진 껍질이 채워진 후에는 다음 것을 채우기 시작하는 데 훨씬 더 많은 에너지가 필요하다.따라서 핵당 결합 에너지는 국소 최대치에 도달하고 채운 껍질이 있는 핵은 없는 것보다 안정적이다.[24]이 핵탄두 모형의 이론은 1930년대에 기원을 두고 있지만, 1949년에 이르러서야 독일의 물리학자 마리아 괴퍼트 메이어와 요하네스 한스 다니엘 젠슨 외가 독자적으로 정확한 제형을 고안해냈다.[25]

껍질이 채워지는 핵의 수를 마법의 숫자라고 부른다.중성자의 경우 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126의 마법 숫자가 관찰되었으며, 다음 숫자는 184로 예측된다.[6][26]양자는 이러한 마법의 숫자들 중 처음 6개를 공유하며,[27] 126개는 1940년대부터 마법의 양성자 숫자로 예측되어 왔다.[28]O(Z = 8, N = 8), Sn(Z = 50, N = 82) 및 Pb(Z = 82, N = 126)와 같은 각각의 마법 숫자를 가진 핵종을 "두꺼운 마법"이라고 하며, 결합 에너지가 더 큰 결과로 인근 핵종보다 안정적이다.[29][30]

1960년대 후반에는 미국 물리학자 윌리엄 마이어스와 폴란드 물리학자 브와디스와프 ś위ą테키에 의해 보다 정교한 쉘 모델이, 독일 물리학자 헬더 멜드너(1939~2019년)에[31][32] 의해 독자적으로 제작되었다.멜드너는 이 모델들을 통해 쿨롱 반발력을 고려해 다음 양성자 매직 넘버가 126이 아닌 114가 될 수도 있다고 전망했다.[33]마이어스와 ś위ątecki는 '안정성의 섬'이라는 용어를 만든 것으로 보이며, 후에 초중력 원소 다수를 발견한 미국의 화학자 글렌 시보그가 재빨리 이 용어를 채택하여 홍보하였다.[28][34]마이어스와 ś위ą테키는 또한 일부 초 헤비 핵은 높은 핵분열 장벽의 결과로 수명이 더 길어질 것이라고 제안했다.소련의 물리학자 빌렌 스트러틴스키에 의한 핵 쉘 모델의 추가적인 개선은 액체 낙하 모델의 부드러운 경향 특성과 쉘 효과와 같은 국지적 변동을 모두 고려한 핵 질량 모델인 거시적-마이크로스코픽 방식의 출현으로 이어졌다.이 접근방식은 스웨덴 물리학자 스벤 닐슨 외, 다른 그룹도 섬 내 핵의 안정성에 대한 첫 번째 상세한 계산을 할 수 있게 했다.[33]이 모델의 등장으로 스트러틴스키, 닐슨 등에서는 1957년경부터 2배 마법이 될 것으로 예측되었던 우브(Z = 126, N = 184)가 아닌 2배 마법의 핵인 플루(Z = 114, N = 184)의 존재를 주장하였다.[33]이후 양성자 매직넘버의 추정치는 114~126으로 다양해 여전히 공감대가 형성되지 않고 있다.[6][20][35][36]

디스커버리스

초중량 원소의 가장 안정적인 동위 원소(Z ≥ 104)
요소 아토믹
번호를 붙이다		 대부분
안정적
동위 원소		 하프라이프[d]
출판물
[37][38] 		누바세 2016
[39]
루더포듐 104 267RF 1.3시간 2.5시간
더브니움 105 268db 1.2 d 1.1d
수보르기움 106 269sg 14분[40] 5분
보히움 107 270BH[e] 1분 3.8분
하시움 108 269HS 9.7초[42] 16초
메이트네리움 109 278MT[f][g] 4.5초 7초
다름슈타디움 110 281Ds[f] 12.7초 14초
뢴트게늄 111 282RG[f][h] 1.7분 1.6분
코페르니슘 112 285씨엔[f] 28초 32초
니혼륨 113 286NH[f] 9.5초 7초
플레로비움 114 289플[f][i] 1.9초 2.4초
모스코비움 115 290맥[f] 650ms 410ms
간모륨 116 293LV[f] 57 ms 80 ms
테네신 117 294TS[f] 51 ms 70 ms
오가네손 118 294Og[f] 690µs 1.15ms

1960년대 내내 안정의 섬에 대한 관심이 증가했는데, 그것은 그것이 반감기를 가진 핵종을 포함할지도 모른다는 일부 계산이 제시되었기 때문이다.[44][45]그들은 또한 높은 원자 질량에도 불구하고 자연적인 핵분열에 대해 특히 안정적일 것으로 예측되었다.[33][46]그러한 원소가 존재하고 충분히 장수한다면, 그들의 핵 및 화학적 성질의 결과로서 몇 가지 새로운 응용이 있을 수 있다고 생각되었다.여기에는 중성자 공급원으로서 입자 가속기에, 핵분열당 낮은 임계 질량과 높은 중성자 수의 예측 결과로서 핵 무기에,[47] 그리고 우주 임무에 동력을 공급하기 위한 핵 연료로 사용하는 것이 포함된다.[35]이러한 추측들은 1960년대와 1970년대에 많은 연구자들이 입자 가속기의 자연과 핵합성을 통해 초중량 원소에 대한 연구를 수행하게 했다.[22]

1970년대에는 장수 초중핵에 대한 많은 연구가 행해졌다.원자 번호 110부터 127까지의 원소를 합성하기 위한 실험이 전 세계 연구소에서 실시되었다.[48][49]이러한 원소들은 핵종들 중 하나의 무거운 대상이 사이클로트론에서 다른 핵종의 가속 이온에 의해 조사되고, 이러한 핵종들 후에 새로운 핵종이 생성되며, 그 결과 흥분된 시스템이 여러 입자(일반적으로 양성자, 중성자 또는 알파 입자)를 증발시켜 에너지를 방출한다.이러한 반응은 "콜드"와 "핫" 핵융합으로 나뉘는데, 이것은 각각 낮은 흥분 에너지와 높은 흥분 에너지를 가진 시스템을 만들어낸다. 이것은 반응의 수율에 영향을 미친다.[50]예를 들어, Cm과 Ar 사이의 반응은 114 원소의 동위원소를 산출할 것으로 예상되었고, Th와 Kr 사이의 동위원소는 126 원소의 동위원소를 산출할 것으로 예상되었다.[51]이러한 시도 중 어느 것도 성공하지 못하여 [48][49]반응 단면(결과적으로 낮은 수율)이 낮을 경우 그러한 실험이 충분히 민감하지 않았거나 그러한 핵융합-증발 반응을 통해 도달 가능한 핵은 검출하기에 너무 짧을 수 있음을 나타낸다.[j]이후의 성공적인 실험은 실제로 원자 수가 증가함에 따라 반감기와 단면이 감소하고, 그 결과 각 실험에서 가장 무거운 원소의 단명 원자가 몇 개만 합성된다는 것을 보여준다.[52]

자연에서의 유사한 조사도 성공하지 못했는데, 만약 초중량 원소가 자연에 존재한다면, 그 풍부함은 광석의 두더지당 10−14 몰 미만의 초중량 원소라는 것을 암시한다.[53]이러한 성공적이지 못한 시도에도 불구하고 nuclei,[33] 새로운 초중 원소의 원소 실험실에서 몇년마다light-ion 폭격과 차가운 fusion[k]을 통해 합성하였다;러더퍼듐, 첫번째 transactinide, 1969년에 발견되었다, 그리고 copernicium 오래 사는 superheavy을 준수할 8개의 양성자 가까이 안정성의 섬 것으로 내다보고 있다.교육에서Z = 114, 1996년에 도달했다.이러한 핵의 반감기는 매우 짧지만([39]초순) 러더포듐보다 무거운 원소의 존재는 닫힌 껍질에 의해 야기되는 것으로 생각되는 안정화 효과를 나타낸다; 그러한 영향을 고려하지 않은 모델은 급속한 자발적 핵분열로 인한 원소의 존재를 금지할 것이다.[18]

마법 114 양성자가 기대되는 플레로비움은 유리 오가네시안이 이끄는 물리학자 그룹에 의해 1998년 러시아 더블나의 핵연구 공동연구소에서 처음 합성됐다.원소 114의 단일 원자가 30.4초의 수명으로 검출되었으며, 그 붕괴 산물은 분 단위로 반감기를 측정할 수 있었다.[54]왜냐하면 생산nuclei는 알파 붕괴보다는 분열과 반감기의 명령의 크기보다 더 오래 이전에 predicted[나는]또는 관찰을 위해 초중 원소 elements,[54]이 사건은 보듯이 한"교과서적인 본보기"의 붕괴 계열 특성의 섬의 안정성 제공하고 강한 증거의 existe.의 nce이 지역의 안정의 [56]섬비록 원래 1998년 사슬은 다시 과제는 다음 20년간 더 이상 성공적인 실험 oganesson까지 모든 요소들이 발견되었다 uncertain,[41]여전히 관찰되지 않았습니다의 반감기는 처음에 예상 값을 초과해서 붕괴 속성 더 찌르다의 섬의 존재를 지원하는 것이 발견되었습니다.ili그러나 플레로비움 동위원소의 붕괴 사슬에 대한 2021년 연구는 알려진 핵(N = 174) 영역에서 Z = 114로부터 강한 안정화 효과가 없으며,[58] 추가적인 안정성은 주로 중성자 껍데기 폐쇄의 결과일 것이라는 것을 시사한다.[6][43][57][36]알려진 핵은 최대 안정성이 기대되는 N = 184(가장 중성자가 풍부한 확정핵, Lv, Ts만 도달하면 N = 177에 도달함)에 여전히 못 미치고 섬 중심부의 정확한 위치는 여전히 알려져 있지 않지만,[5][6] N = 184에 가까운 안정성이 증가하는 추세가 입증되었다.예를 들어, cn보다 중성자가 8개 더 많은 동위원소 cn은 반감기가 거의 5배 더 길다.이러한 추세는 알려지지 않은 더 무거운 동위원소로 이어질 것으로 예상된다.[59]

A diagram of observed decay chains of even Z superheavy nuclides, consisting of several alpha decays and terminating in spontaneous fission.
체인 3, 5, 8의 잠정 할당을 포함하여, 짝수 Z 초중량 요소에서 관찰된 붕괴 사슬의 요약.[41]특히 원소 110, 112, 114에서는 중성자 초과(N - Z, 양성자와 중성자 수의 차이)가 큰 동위원소에 대한 안정성을 높이는 일반적인 추세가 나타나고 있어 안정성의 섬의 중심이 훨씬 무거운 동위원소 사이에 있음을 강하게 시사하고 있다.

변형핵

N = 184 주변의 안정성의 섬 내의 핵은 구형일 것으로 예측되지만, 1991년 폴란드[60] 물리학자 지그문트 파티크와 아담 소비체프스키를 시작으로 1990년대 초반의 연구는 일부 초 헤비 원소들이 완전한 구형 핵체를 가지고 있지 않다는 것을 시사한다.[61][62]핵 모양의 변화는 껍질 속의 중성자와 양자의 위치를 변화시킨다.연구에 따르면 구면 매직넘버에서 더 멀리 떨어진 큰 핵이 변형되어 [62]매직넘버가 이동하거나 새로운 매직넘버가 나타난다고 한다.현재 이론적 조사에 따르면 영역 Z = 106–108 및 N – 160–164에서 핵은 기형핵에 대한 쉘 효과의 결과로 핵분열에 더 내성이 있을 수 있으므로, 그러한 초중핵은 알파 붕괴만 겪게 된다.[63][64][65]현재 Hassium-270은 기형적인 마법 숫자 Z = 108과 N = 162를 갖는 두 개의 마법 기형 핵으로 여겨진다.[66]그것은 9초의 반감기를 가지고 있다.[39]이는 N = 184에 가까운 안정성의 섬과 액티니이드 사이의 핵 중간 기형성을 고려한 모델과 일치하며, 이 모델에서는 변형된 매직 숫자 Z = 108 및 N = 162에서 안정성 "페닌술라"가 나타난다.[67][68]N = 162 근처에 인접한 하시움 및 해저 동위원소의 붕괴 성질을 결정하는 것은 이 기형핵의 상대적 안정성에 대한 더 강력한 증거를 제공한다.[46]이것은 또한 안정의 섬(구형핵의 경우)이 안정핵의 영역으로부터 완전히 격리된 것이 아니라, 그 대신 두 영역 모두 비교적 안정된 기형핵의 이스트무스를 통해 연결되어 있음을 강하게 시사한다.[67][69]

예측 붕괴 특성

A diagram depicting the four major decay modes (alpha, electron capture, beta, and spontaneous fission) of known and predicted superheavy nuclei.
관측된 핵에 검은색 윤곽이 주어진 초중핵의 예상 붕괴 모드를 나타낸 다이어그램.N = 184에서 쉘 폐쇄 바로 너머의 핵뿐만 아니라 가장 많은 중성자 결핍 핵은 주로 자발 핵분열(SF)을 겪을 것으로 예측되는 반면, 알파 붕괴(α)는 섬에서 더 가까운 중성자 결핍 핵에서 지배할 수 있으며, 상당한 베타 붕괴(β) 또는 전자 포획(EC) 가지가 중심에서 가장 가까운 곳에 나타날 수 있다.Cn과 Cn 주변의 섬에서.[4]

'섬 위에' 있을 핵종이 하나도 관측되지 않았기 때문에 안정성의 섬에서 핵의 반감기 그 자체는 알 수 없다.많은 물리학자들은 이러한 핵의 반감기가 분이나 일 단위로 비교적 짧다고 믿는다.[5]일부 이론적 계산은 그들의 반감기가 100년 또는 [4][52]10년 정도9 길 수도 있다는 것을 나타낸다.[45]

N = 184에서 쉘 폐쇄는 알파 붕괴와 자발적 핵분열을 위해 더 긴 부분 반감기를 초래할 것으로 예측된다.[4]쉘 폐쇄로 인해 FL 주위의 핵에 대한 핵분열 장벽이 높아져 핵분열을 강하게 방해하며 아마도 핵분열은 쉘 폐쇄의 영향을 받지 않는 핵보다 30배 더 큰 크기의 반감기를 일으킬 것으로 생각된다.[33][70]예를 들어 중성자-피질 동위원소 FL([40]N = 170)은 2.5밀리초의 반감기로 핵분열을 겪으며, N = 184 쉘 폐쇄 부근에서 안정성이 향상된 가장 중성자 피질 핵종 중 하나로 생각된다.이 점을 넘어 일부 미발견 동위원소는 아직 짧은 반감기와 함께 핵분열을 겪을 것으로 예측되어 안정의 섬에서 멀리 떨어져 있는 초중핵의 존재와[m] 관찰이[j] 제한된다(명칭 N < 170은 물론 Z > 120과 N > 184).[13][18]이들 핵은 알파 붕괴나 자발적 핵분열을 마이크로초 이하로 겪을 수 있으며, 일부 핵분열은 핵분열 장벽이 없는 경우 10초−20 단위로 추정한다.[63][64][65][70]이와는 대조적으로, Fl (최대 쉘 효과의 영역 내에 있는 것으로 예측됨)은 훨씬 더 긴 자발적 핵분열 반감기를 가질 수 있으며, 아마도 10년19 정도일 것이다.[33]

섬 중앙에서는 정확한 비율이 모델에 따라 다르지만 알파 붕괴와 자발적 핵분열 사이에 경쟁이 있을 수 있다.[4]100 z Z ≤ 130의 1700 핵의 알파 붕괴 반감기는 실험 및 이론 알파 붕괴 Q 값을 모두 가진 양자 터널링 모델에서 계산되었으며, 가장 무거운 동위원소 중 일부에 대해 관측된 반감기와 일치한다.[63][64][65][74][75][76]

베타 붕괴는 특히 111–115 원소의 동위원소에 대해 섬의 예측 중심 부근에 있는 다른 붕괴 모드와 경쟁할 것으로 예상되기 때문에 가장 오래 생존하는 핵종은 베타 안정도 선에도 존재할 것으로 예측된다.이러한 핵종에 대해 예측된 다른 붕괴 모드와 달리 베타 붕괴는 질량 수를 변경하지 않는다.대신 중성자를 양성자로 변환하거나 반대로 변환하여 안정의 중심(질량이 가장 낮은 이소바르)에 더 가까운 인접 이소바르를 생성한다.예를 들어, 유의한 베타 붕괴 분기는 FL과 Nh와 같은 핵종에 존재할 수 있다; 이들 핵종은 알려진 핵종보다 단지 몇 개의 중성자만을 가지고 있을 뿐이며, 안정성의 섬 중앙을 향한 "좁은 경로"를 통해 붕괴될 수 있다.[3][4]이러한 원소의 일부 동위원소(Fl, Mc 등)가 알파 붕괴에 대한 부분 반감기를 더 짧게 가질 것으로 예측되기 때문에 베타 붕괴의 가능한 역할은 매우 불확실하다.베타 붕괴는 경쟁을 감소시킬 수 있고 알파 붕괴에 대한 추가적인 안정성이 이들 핵종의 초이형성 이소머에 존재하지 않는 한 알파 붕괴가 지배적인 붕괴 채널로 남을 수 있다.[77]

A diagram depicting the four major decay modes (alpha, electron capture, beta, and spontaneous fission) of known and predicted superheavy nuclei, according to the KTUY model.
이 예측 붕괴 모드의 차트는 일본 원자력 기구의 이론적 연구로부터 도출된 것으로 Ds 주변의 안정 섬의 중심을 예측한다; 그것은 주로 알파 붕괴(순환)를 겪고 있는 몇 개의 비교적 장수하는 핵종 중 가장 오래 지속될 것이다.이것은 베타-안정성 선이 N = 184로 쉘 폐쇄에 의해 안정화된 영역을 가로지르는 지역이다.좌우로 보면 핵분열이 지배적인 붕괴 모드가 되어 다른 모델과 일치하면서 반감기가 감소한다.[13][70]

모든 붕괴 모드를 생각하면, 다양한 모델;[78]이 296Cn,[52] 300-y에 291Cn과 293Cn,[52][73]1000-year 반감기에 100년 반감기를 포함하는 섬(제일 오래 사는 핵종 포지티브)중심의 298Fl이 낮은 원자 번호로 이동, 그리고 알파 붕괴와 자발 핵 분열 사이의 이러한 핵종들의 경쟁을 나타낸다.294Ds,[70]을 이어 반감기와 aDs는 3500년 반감기로,[79][80] Ds와 Cn은 정확히 N = 184 셸 폐쇄에 있다.112 ≤ Z ≤ 118의 원소에 대한 안정성이 강화된 이 지역은 그 대신 핵 변형의 결과일 수 있으며, 구형 초중핵에 대한 안정성의 섬의 진정한 중심은 Ubb (Z = 122, N = 184) 주위에 있는 것으로 추정되었다.[19]이 모델은 안정의 섬을 가장 긴 총 반감기가 아닌 핵분열에 가장 큰 저항력을 가진 지역으로 정의하고 있다.[19] 핵종 웁은 알파 붕괴와 관련하여 여전히 짧은 반감기를 가질 것으로 예측된다.[4][65]

가장 무거운 초중량 원소의 또 다른 잠재적으로 중요한 붕괴 모드는 루마니아 물리학자 도린 N. 포에나루와 라두 A에 의해 클러스터 붕괴로 제안되었다.게르헤스쿠와 독일 물리학자 월터 그리너.알파 붕괴에 대한 분지 비율은 원자 번호와 함께 증가하여 Z = 120을 중심으로 알파 붕괴와 경쟁할 수 있으며, Z = 124를 중심으로 더 무거운 핵종의 지배적인 붕괴 모드가 될 수 있을 것으로 예상된다.이와 같이, 섬의 중심이 예측보다 높은 원자 수에 있지 않는 한, 안정의 섬(조개 효과에 여전히 영향을 받기는 하지만)의 중심을 넘어 더 큰 역할을 할 것으로 기대된다.[81]

자연발생가능

참고 항목:멸종된 초중량 원소 동위 원소

수백 년 혹은 수천 년의 반감기가 초중력 원소에게는 비교적 길겠지만, 그러한 핵종이 지구상에 원시적으로 존재하기에는 너무 짧다.또한 원초성 액티니드(Th, U,232 U)와 안정성 섬 사이의 중간 핵의 불안정성은 r-프로세스 핵합성률에서 섬 내에서 핵의 생산을 억제할 수 있다.다양한 모델은 자발적 핵분열이 A > 280을 가진 핵의 지배적인 붕괴 모드가 될 것이며, 중성자 유도 핵분열 또는 베타 지연 핵분열 즉, 핵분열 직후에 중성자 포획과 베타 붕괴가 1차 반응 채널이 될 것이라고 제안한다.그 결과 안정의 섬을 향한 베타 붕괴는 매우 좁은 경로 내에서만 발생할 수도 있고 핵분열에 의해 완전히 차단될 수도 있기 때문에 섬 내의 핵종 합성을 배제한다.[82]자연에서 Hs와 Fl과 같은 초 헤비핵종의 비관찰은 측정 가능한 양이 자연에서 지속되도록 하기에는 너무 짧은 반감기와 더불어 이 메커니즘에서 기인하는 r-과정에서의 낮은 수율의 결과라고 생각된다.[83][n]

이러한 합성에 장애물이 있음에도 불구하고 발레리 자그레배프가 이끄는 러시아 물리학자들이 발표한 2013년 연구는 가장 장수하는 코페르니슘 동위원소가 납에 비해 10개가−12 풍부하게 발생하여 우주 광선에서도 검출될 수 있다고 제안하였다.[59]마찬가지로, 2013년 한 실험에서 알렉산드르 바글리야가 이끄는 러시아 물리학자들은 운석의 올리빈 결정에서 세 개의 우주성 초중핵을 관측할 수 있다고 보고했다.이들 핵의 원자 번호는 105년에서 130년 사이로 추정되었고, 하나의 핵은 113년에서 129년 사이에 제약되었을 가능성이 있으며, 이들의 수명은 최소 3,000년으로 추정되었다.이러한 관찰은 아직 독립적인 연구에서는 확인되지 않았지만, 안정의 섬의 존재를 강하게 시사하며, 이들 핵종의 반감기 이론적 계산과 일치한다.[86][87][88]

가능한 종합 및 어려움

A 3D graph of stability of elements vs. number of protons Z and neutrons N, showing a "mountain chain" running diagonally through the graph from the low to high numbers, as well as an "island of stability" at high N and Z.
N = 178 및 Z = 112 주변의 안정섬의 3차원 렌더링

안정성의 섬에서 핵의 제조는 매우 어려운 것으로 입증된다. 왜냐하면 시작 물질로서 이용 가능한 핵은 필요한 중성자의 합을 전달하지 않기 때문이다.방사능 이온 빔(예: S)이 Actinide 표적(예:[59][89][90] Cm)과 결합하면 그러한 실험을 수행하는 데 필요한 강도에서는 현재 그러한 빔을 사용할 수 없지만 안정성의 섬 중심에 더 가까운 중성자 농후핵의 생산을 허용할 수 있다.Cm과 Es와 같은 중량의 동위원소 몇 개를 대상으로 사용할 수 있기 때문에 대상을 만들기 위해 이러한 희귀 동위원소 몇 밀리그램의 생산이 어렵지만 알려진 동위원소보다 중성자 한두 개를 더 많이 사용하여 동위원소를 생산할 수 있다.[59][91]또한 가장 중성자가 많은 것으로 알려진 동위원소인 pxn과 αxn(각각 양성자 또는 알파 입자의 방출, 여러 중성자) 채널을 채우는 동일한 Ca 유도 핵융합-증발 반응에서 대체 반응 채널을 조사할 수도 있다.이를 통해 111–117 원소의 중성자 농축 동위원소를 합성할 수 있다.[92]예측된 단면이 xn(중성자 방출만) 채널의 단면보다 작은 1~900fb의 순서에 있지만, 이러한 반응에서 달리 도달할 수 없는 초중량 원소의 동위원소를 생성하는 것은 여전히 가능할 수 있다.[92][93]이러한 더 무거운 동위원소(Mc, Fl, Nh 등)의 일부도 비교적 긴 반감기를 가진 알파 붕괴 외에 전자 포획(양자를 중성자로 변환)을 겪을 수 있으며, 안정성의 섬 중앙 근처에 있을 것으로 예측되는 cn과 같은 핵에 부패한다.그러나 이는 베타-안정성 라인 근처에 있는 초중량 핵이 아직 합성되지 않았고 그 특성에 대한 예측이 모델에 따라 상당히 달라지기 때문에 대체로 가상적인 것으로 남아 있다.[3][59]

Fm만큼 무거운 핵종을 생산하는 데 사용되는 느린 중성자 포획 과정은 자발적 핵분열을 겪는 페르뮴 동위원소(예를 들어 Fm은 반감기가 370µs)에 의해 차단된다. 이를 "페르뮴 간격"이라고 하며 그러한 반응에서 무거운 원소의 합성을 방지한다.이 간격은 물론 A = 275 및 Z = 104–108 주변의 또 다른 예측된 불안정 영역도 천체물리학적 r 과정을 모방한 높은 중성자속(기존 원자로의 플럭스보다 약 천 배 큰)을 가진 일련의 제어 핵폭발에서 우회할 수 있을 것이다.[59]멜드너에 의해 1972년에 처음 제안된 그러한 반응은 안정성의 섬 내에서 거시적인 양의 초중량 원소 생산을 가능하게 할 수 있다;[3] 중간 초중량 핵종에서의 핵분열 역할은 매우 불확실하며, 그러한 반응의 수율에 강한 영향을 미칠 수 있다.[82]

JAEA chart of nuclides up to Z = 149 and N = 256 showing predicted decay modes and the beta-stability line
일본 원자력청이 사용하는 핵종의 이 도표는 Z = 149 및 N = 256까지의 핵의 알려진 (상자) 및 예측 붕괴 모드를 보여준다.안정성이 향상된 영역은 N = 184 (Ds–298Fl)294 및 N = 228 354(126)에서 단명 핵분열 핵의 간격(차트에서1/2 컬러가 아닌 t < 1ns))으로 분리되는 예측 쉘 폐쇄를 중심으로 볼 수 있다.[70]

액티나이드 핵(U, Cm 등)의 저에너지 충돌 시 다핵 전달 반응에서 FL과 같은 안정성의 섬에서 동위원소를 생성하는 것도 가능할 수 있다.[89]마치 셸 효과 Z=114충분히 강하지만 노벨륨과 시보르 기움(Z=102–106) 같은 가벼운 요소 h.할 것으로 전망됨 이 역 준 핵 분열(부분 핵 융합 핵 분열에 의해, 더 많은 비대칭 제품에서 비롯되는 변화를 엄청난 평형에서 뒤에)mechanism[94]안정성 섬에 경로를 제공할 수 있아베높은 [59][95]수익률U + U 및 U + Cm 전송 반응에 대한 예비 연구에서는 멘델레비움(Z = 101)보다 무거운 원소를 생성하지 못했으나, 후자의 반응에서 수율이 증가함에 따라 ES(사용 가능한 경우)와 같은 더 무거운 표적을 사용하면 초중량 원소의 생산이 가능할 수 있음을 시사한다.[96]이러한 결과는 (Z ≤ 109) 과중핵종의 수율이 더 무거운 표적을 사용한 전달 반응에서 더 높을 가능성이 있다는 추후의 계산에 의해 뒷받침된다.[90]그 238U+232의 2018년 연구.비록 추가적인 연구하는 제품의 원자 수를 결정하는 데 필요한 텍사스 A&amp에 새라 Wuenschel에 의해 여반응은 M사이클로트론 연구소(알.들이 초중의 요소의 새로운,neutron-rich 동위 원소에 104개의<>로 인식될 수 있다. 미지의 알파가 썩;Z<>116을 발견했다.[90][97]이 결과는 껍데기 효과가 횡단면에 상당한 영향을 미치고, 향후 전이반응을 갖는 실험에서 안정의 섬에 도달할 수 있음을 강하게 시사한다.[97]

기타 안정의 섬

참고 항목:연장주기표

Z = 112–114 근처에 있는 주 안정 섬 너머의 추가적인 쉘 폐쇄는 추가적인 안정 섬들을 발생시킬 수 있다.다음 마법 숫자의 위치에 대한 예측은 상당히 다양하지만, 두 개의 중요한 섬은 두 배로 더 무거운 마법 핵 주위에 존재한다고 생각되는데, 첫 번째 섬은 126개(중성자 228개)에 가깝고 두 번째 섬은 164개 또는 164개(중성자 308개 또는 318개)에 가깝다.[33][70][98]이 안정성의 두 섬 내의 핵종은 특히 자발적 핵분열에 내성이 있을 수 있고 수년 내에 측정할 수 있는 알파 붕괴 반감기를 가질 수 있으므로 플레로비움 근처의 원소들과 동등한 안정성을 갖는다.[33]베타-안정성 핵종에서 양성자 껍질 폐쇄가 약한 다른 지역도 나타날 수 있다. 그러한 가능성은 126과[99] 154에 가까운 지역을 포함한다.[100]그러한 중핵에서 양성자 사이의 전자기 반발은 그 안정성을 크게 떨어뜨릴 수 있으며, 그 존재를 쉘 효과 근처에 있는 국부화된 섬으로 제한할 수도 있다.[101]이것은 중간 핵종과 아마도 "불안정의 바다"에 있는 원소들이 빠르게 핵분열을 겪으며 본질적으로 존재하지 않을 것이기 때문에 이러한 섬들을 핵종의 주요 차트에서 격리시키는 결과를 가져올 수 있다.[98]또한 126 원소 주위의 상대적 안정 영역을 넘어 무거운 핵이 액체 낙하 모델에 의해 주어진 핵분열 임계치를 초과하여 존재하게 되고, 따라서 매우 짧은 수명으로 핵분열을 겪게 되어 더 큰 마법의 숫자들 근처에서도 본질적으로 존재하지 않게 될 수도 있다.[99]

또한 A > 300을 넘는 지역에서는 양성자와 중성자로 묶인 쿼크보다는 쿼크를 자유롭게 오르내리는 안정적 쿼크 물질의 가상적인 단계로 구성된 전체 "안정성의 연속"이 존재할 수 있다는 주장도 제기되었다.그러한 형태의 물질은 핵물질보다 바리온당 결합 에너지가 더 큰 중핵물질의 지상상태로 이론화되며, 이 질량 임계치를 넘어 쿼크물질로 핵물질의 붕괴를 선호한다.만약 이 물질의 상태가 존재한다면, 그것은 정상적인 초중핵으로 이어지는 동일한 핵융합 반응에서 합성될 수 있으며, 쿨롱 반발력을 극복하기에 충분한 그것의 강한 결합의 결과로 핵분열로부터 안정될 것이다.[102]

참고 항목

메모들

  1. ^ 안정 원소 중 가장 무거운 안정 원소는 비스무트(원자수 83)로 추정되었는데, 이때 유일하게 안정 원소인 비(Bi)가 알파 붕괴를 겪는 것으로 관측되었다.[10]
  2. ^ 예측된 반감기가 너무 길어서 이 과정을 관찰한 적은 없지만 다른 관찰적으로 안정된 핵종이 붕괴하는 것은 이론적으로 가능하다.[11]
  3. ^ 안정성이 높아진 지역은 토륨(Z = 90)과 반감기가 지구의 나이에 버금가는 우라늄(Z = 92)을 포함한다.비스무트와 토륨 사이의 중간 원소는 반감기가 짧고, 우라늄 이상의 무거운 핵은 원자 수가 증가함에 따라 더욱 불안정해진다.[12]
  4. ^ 다른 출처들은 반감기에 대해 다른 값을 준다; 문헌과 NUBASE에서 가장 최근에 발표된 값들은 모두 참조용으로 나열되어 있다.
  5. ^ 확인되지 않은 bh의 반감기는 11.5분으로 길어질 수 있다.[41]
  6. ^ a b c d e f g h i j 109–118 원소의 경우, 가장 오래 생존한 알려진 동위원소는 항상 지금까지 발견된 가장 무거운 동위원소다.이것은 더 무거운 동위원소들 중에서 더 오래 생존하는 미발견 동위원소들이 있을 가능성이 있어 보인다.[43]
  7. ^ 확인되지 않은 백두산은 반감기가 1.1분으로 길어질 수 있다.[41]
  8. ^ 확인되지 않은 Rg의 반감기는 10.7분으로 길어질 수 있다.[41]
  9. ^ 확인되지 않은 플의 반감기가 19초 더 길어질 수도 있다.[41]
  10. ^ a b 그러한 핵은 합성될 수 있고 일련의 붕괴 신호가 등록될 수 있지만, 1마이크로초보다 빠른 해독은 후속 신호와 함께 쌓일 수 있으므로, 특히 여러 개의 특성화되지 않은 핵이 형성되어 일련의 유사한 알파 입자를 방출할 수 있는 경우에 구별할 수 없다.[72]따라서 검출기에 도달하기 전에 소멸되는 초중량 원자는 전혀 등록되지 않기 때문에 해독을 올바른 모핵으로 귀속시키는 것이 주요 난관이다.[73]
  11. ^ 이것은 상온에 가까운 가상의 핵융합(콜드 핵융합)과는 구별되는 개념으로, 그 대신 낮은 흥분 에너지를 가진 핵융합 반응을 가리킨다.
  12. ^ 오가네시안은 원소 114가 이론화된 섬 근처에서 안정 효과가 없을 경우 10초의−19 순서에 따라 반감기를 갖게 될 것이라고 말했다.[55]
  13. ^ 국제순응화학연합(IUPAC)은 10초의−14 반감기에서 핵 존재의 한계를 규정한다. 이 시간은 핵이 핵 껍데기로 스스로를 배열하여 핵종을 형성하는 데 대략 필요한 시간이다.[71]
  14. ^ 자연에서 뢴트게늄과 운비늄의 장수 동위원소의 관찰은 사용 기술에 대한 평가와 그에 따른 실패한 검색이 이러한 결과에 상당한 의심을 던지기는 했지만,[84][85] 이스라엘의 물리학자 암논 마리노프 등은 주장해 왔다.[49]

참조

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외부 링크