미지의 세계 개척하는 과학자들, 인류 발전 기여

 

“수헬리베붕탄질산…” 중고등학교 시절 화학시간에 우리들을 애먹였던 주기율표를 기억하십니까? 지난 12월 30일 국제순수응용화학연합(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)은 이 주기율표의 일곱번째 열 끝부분에 빈칸으로 남아있던 네 곳이 새로 발견된 원소들로 채워졌음을 공식적으로 발표했습니다.

 

원자번호 113번, 115번, 117번, 그리고 118번에 해당하는 이들 새로운 원소들은 공식 명칭이 정해지기 전까지 임시적으로 각각 우눈트리움(Uut,113), 우눈펜튬(Uup,115), 우눈셉튬(Uus,117), 그리고 우누녹튬(Uuo,118)으로 불리게 됩니다.

 

114번, 116번 원소가 2011년 주기율표에 추가된지 4년만에 네가지의 원소가 인정받으며 주기율표의 일곱번째열이 드디어 완성되게 된 것입니다.

 

주기율표는 화학적 성질을 갖는 기본단위인 원소들을 원자번호에 따라서 나열해 놓음으로써 원소들의 성질을 쉽게 알아볼 수 있도록 정리해 놓은 표로서 1869년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleeve, 1834-1907)에 의해서 처음으로 정리되었습니다.

 

멘델레예프는 당시에 알려져있던 66가지의 원소들을 그들의 원자량에 따라서 정리하였으며, 아직 발견되지 않은 원소들의 화학적 성질을 예측하였는데, 후에 발견된 원소들이 모두 그의 예측과 일치함으로써, 멘델레예프의 주기율표는 화학적 성질을 연구하는 가장 중요한 표가 되었습니다.

 

이번에 추가된 네가지의 원소를 포함하면 주기율표에는 모두 118가지의 원소가 나열되어 있습니다. 이 중에서 자연상태에서 발견되는 원소는 일반적으로 1번 수소(hydrogen, H)부터 92번 우라늄(uranium, U)까지라고 이야기하지만, 여기에는 몇가지 논란의 여지가 있는 원소들이 있습니다.

 

원자번호 43번 테크네슘(technetium, Tc)은 1937년 처음 인공적으로 합성되어 세상에 알려졌고, 우주의 적색거성(Red Giant)의 분광을 통해서 자연상태에도 존재한다는 것이 발견되었으며, 지구상에서는 우라늄 광석에서 발견된다는 것이 이후에 알려졌습니다. 또한 원자번호 85번의 아스타틴(astatine, As) 역시 우라늄 광석에서 검출이 된다는 것이 알려졌지만, 이들 두 원소는 존재하는 양이 매우 적어서 자연상태에서 가장 적은 양이 발견되는 원소들로 알려져 있습니다. 심지어 원자번호 87번의 프랜시움(francium, Fr), 원자번호 61번의 프로메티움(promethium, Pm)은 아직까지도 자연상태에서는 발견되고 있지 않습니다. 그래서, 자연상태에서 발견되는 물질들 중 가장 무거운 우라늄보다 가벼운 원소들은 우리가 아직 발견하지 못하였다 하더라도 자연에 존재가 가능한 원소들이라고 생각하는 과학자들이 있는 반면, 자연상태에서 거의, 또는 전혀 발견되고 있지 않는 위에 네가지 원소들은 자연상태에서 발견할 수 있는 원소의 종류에서 제외해야한다는 의견을 갖는 과학자들도 있습니다.

 

어찌 되었든, 이렇게 90여가지의 원소들은 자연상태에서 발견이 가능한 원소들인 반면, 이번에 새로 추가된 네가지 원소들을 포함한 나머지 원소들은 모두 자연상태에서는 존재하지 않으며 인간이 합성해서 만들어낸 원소들에 해당합니다.

 

이들 원소들은 실제로 자연에 전혀 존재하지 않는다기 보다는, 그 수명이 너무나 짧아서 빅뱅 직후, 또는 새로운 별이 생성된 직후에 바로 사라져 ‘현재’ 존재하지 않으며, 발견할 수 없는 것이라고 생각되는 것들입니다.

 

전 세계의 많은 화학 연구소에서 이렇게 자연에서 발견되지 않는 원소를 합성하여 새로운 원소로 인정받기 위해 쉼없이 노력하고 있으며, IUPAC의 규정에 의하면 이러한 합성원자가 새로운 원자로 인정을 받기 위해서는 원자가 생성된 이후에 적어도 1백조 분의 1초 (0.00000000000001초)이상 존재가능하다는 것을 과학적으로 입증해야 한다고 합니다.

 

학술적으로 원소의 존재가 입증되면 IUPAC은 앞서 말씀드린 것과 같은 임시명칭을 이용하여 이들을 공표하고, 이후 5-6개월정도의 심의기간을 통해 정식 명칭을 결정하게 됩니다.

 

그럼, 앞으로 118번보다 높은 원자번호의 새로운 원자들이 발견될 가능성은 얼마나 될까요? 이론적, 그리고 실험적 결과를 바탕으로 많은 화학자들은 원자번호 126번 근처에서 상대적으로 수명이 긴 원자들이 존재할 가능성이 있다고 믿고 있으며, 이들을 발견하기 위한 실험들을 계속하고 있습니다.

 

아직 발견되지 않았지만, 몇몇 원자들은 새로 발견된 입자들과 같이 임시 명칭을 갖고 있기도 합니다. 119번 원자는 우눈엔늄(Uue)이라는 명칭은 있으나, 1985년 미국에서 선형가속기를 이용하여 합성을 시도했지만 실패하였고, 현재 독일의 중이온가속기 연구소(GSI)에서 합성을 위한 실험을 진행하고 있다고 알려져 있습니다.

 

이 외에도 120번은 운비닐륨(Ubn), 122번은 운비븀(Ubb)  등으로 불리우며, 많은 연구소에서 합성을 성공시키기 위한 연구를 진행하고 있습니다.

 

자연상태에서 존재 하지 않는 원자의 발견의 중요성에 의문을 갖으실 수도 있겠지만 현재 우리가 누리고 있는 문명 자체가 자연발생적이 아니었다는 것을 생각한다면 미래에 그 미지의 원자 발견이 우리 인류에 어떤 지대한 공헌을 할 것인지는 아무도 모르는 일입니다. 그렇게 과학은 암흑의 터널을 더듬어 한 발 한 발 앞으로 발을 내딛듯, 거시적으로는 먼 우주의 미지의 세계를 탐험하며 새로운 세상을 열어가고 있을 뿐만 아니라, 동시에 미시적으로는  이러한 소립자의 세계에서도 아직까지 알려지지 않은 우주의 비밀을 찾기 위한 노력을 이어가고 있습니다.

 

 

석준영 (비센 학원장)

 

UBC 물리학과 박사과정 수료

McGill University Medical Physics 석사

고려 대학교 물리학과 핵물리학 학사 및 석사

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