넵투늄

방사성 악티늄 계열에 속하는 금속으로 주기율표에서 우라늄 바로 다음에 위치하는 원소인 넵투늄은 천왕성(Uranus) 다음 행성인 해왕성(Neptune)의 따서 명명되었다. 7개의 원자가 전자를 가지며, 93개의 양성자를 갖는 넵투늄은 은색을 띠고 공기 중에 노출되면 색깔이 변한다. 세 가지 동소체 형태로 존재하며, 일반적으로 +3부터 +7까지의 산화 상태를 갖는다. 방사성을 띠고 유독하며 자연 발화할 뿐만 아니라 뼈에 축적될 수 있어 취급 시 주의하여야 한다. 현재까지 넵투늄이 상업적으로 사용되지는 않지만, 플루토늄-238 생성 시 전구체로 사용되고 고에너지 중성자 감지체로도 사용되었다. 넵투늄의 가장 안정한 동위원소는 넵투늄-237로 핵 반응로와 플루토늄 생산에서의 부산물이며, 동위원소인 넵투늄-239도 우라늄 원광에서 중성자 포획 반응과 베타 붕괴에 기인하여 극미량 발견된다.

목차

92번 원소인 우라늄 이후에 주기율표의 빈 곳이 있다고 예측한 멘델레예프(D. Mendeleev) 이후에 1932년의 중성자가 발견되기 전까지 대부분의 과학자는 우라늄보다 무거운 원소에 큰 관심을 두지 않았다. 하지만 1933년에 졸리오-퀴리 부부(I. and F. Joliot-Curie)에 의해 유도 방사성(induced radioactivity)이 발견된 이후로, 엔리코 페르미(E. Fermi)를 비롯한 이탈리아 과학자들이 중성자 충돌 실험을 시작하여 원소들을 연구하는 새로운 방법을 개발하였다.

페르미 팀이 우라늄을 중성자로 때려서 결과적으로 원자 번호 93의 동위원소를 관측했다고 생각했으나 이어진 실험에서 오류가 있었음이 판명되었다. 이후에도 한(O. Hahn)과 마이트너(L. Meitner)를 비롯한 여러 과학자가 93번 원소의 발견에 실패를 거듭하였는데, 실패의 주된 이유는 주기율표에서 93번 원소의 예측된 화학적 성질이 실제로 악티늄 계열에서는 맞지 않는다는 것을 몰랐던 탓이었다.

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맥밀란(McMillan) ()

애벌슨(Abelson)()

이처럼 넵투늄 발견에 대한 여러 가지 잘못된 주장이 나온 가운데, 1940년 버클리 방사 연구소(Berkeley Radiation Laboratory)의 맥밀런(E. McMillan)과 에이벨슨(P. H. Abelson)이 최초로 넵투늄 원소를 합성하였다. 버클리 대학에서 만든 60-인치 사이클로트론(cyclotron)을 사용하여 우라늄을 충돌시킨 실험에서 여러 가지 핵분열 생성물을 분리하는 가운데 표적인 삼산화 우라늄에서 전기적으로 서로 심하게 반발하지 않는 방사성을 가진 새로운 두 가지 베타 붕괴 반감기를 관측하였다. 그중 하나는 반감기 23분의 U-239와 또 다른 하나는 반감기 2.3일의 미지 원소에 의한 붕괴였다. 이를 환원제와 함께 HF와 반응시켜 우라늄과 유사하지만 새로운 원소를 발견하여, 최종적으로 다음과 같은 연속 붕괴 반응을 확립할 수 있었다.맥밀란과 애이벨슨은 1940년 5월에 발표한 논문에서 언급된 방사성 원소 93을 나중에 넵투늄으로 명명하였다.¹⁾

우라늄 238의 중성자 충돌에 의한 붕괴 과정 (출처: 대한화학회)

하지만 이들은 넵투늄의 첫 번째 동위원소가 짧은 반감기를 가지므로 후속 연구를 할 수 있을 만큼 얻지 못하였고, 1942년에 시보그(G. Seaborg) 연구팀이 긴 반감기를 가진 ²³⁷Np 동위원소를 화학적 성질 연구에 사용하였다. 그 이후로 대부분의 넵투늄은 원자로에서 중성자 조사(neutron irradiation)로 생성되고 있는데, 다량의 넵투늄이 일반적인 원자로의 부 생성물로 얻어진다.

넵투늄은 원자 번호가 93이고 원소 기호가 Np인 방사성 금속 원소이다. 이 원소는 주기율표의 악티늄 계열에서 천왕성의 이름을 딴 우라늄 바로 다음에 위치하는 첫 번째 초우라늄 원소로, 천왕성 다음의 행성인 해왕성의 이름을 따서 넵투늄이라 명명되었다. 넵투늄의 가장 안정한 동위원소인 넵투늄-237은 원자로에서 플루토늄을 생성할 때 부 생성물로 얻어진다. 또한, 넵투늄-237과 넵투늄-239는 우라늄 원광에서 중성자 포획 반응과 베타 붕괴로부터 소량 발견된다.

주기율표에서 우라늄 오른쪽에, 플루토늄 왼쪽에, 란타넘 계열의 프로메튬 아래에 위치한다. 은색의 단단한 금속인 넵투늄은 물리적 가공성이 우라늄과 유사하다. 상온에서 공기 중에 노출되면 얇은 산화막을 형성하는데 온도가 증가할수록 더 빠르게 진행된다. 녹는점은 639 °C로 비교적 낮은데, 이는 이웃하는 플루토늄의 녹는점인 639.4 °C와 유사하며, 5f와 6d 오비탈 의 혼성화와 금속에서의 방향성 있는 결합 때문이다. 끓는점은 4174 °C로써 실험적으로 관측한 것이 아니라 원소의 증기압으로부터 외삽법으로 얻은 것인데, 만약 이것이 정확하다면 넵투늄은 원소 중에서 액체로서의 온도 범위(3535 K)가 가장 큰 것으로 추정된다.

넵투늄은 적어도 세 가지 동소체 형태로 발견되는데,²⁾ α-넵투늄은 Np-Np 길이가 260 pm이고 20.3-20.4 g/cm³의 밀도를 가져서 악티늄 계열 중에 밀도가 가장 큰 원소이며, 자연계에서도 레늄, 백금, 이리듐, 오스뮴에 이어 다섯 번째로 밀도가 크다. 또한, α-넵투늄은 공유 결합성이 크고 전기저항성이 높은 준금속성을 가지며, 금속보다는 메탈로이드(metalloid)의 성질을 띠고 있다. 한편, β-넵투늄은 Np-Np 결합 길이가 276 pm이고 밀도는 19.38 g/cm³이며, γ-넵투늄은 Np-Np 결합 길이가 297 pm으로 α-나 β-형보다 밀도가 작다.

넵투늄은 93개의 양성자와 93개의 전자를 가지며, 이 중 원자가 전자는 7개이다. 화합물을 형성하면 +3부터 +7까지의 산화 상태를 가지는데, 용액 중에서 동시에 존재할 수 있다. 안정한 화합물을 만들 때 원자가 전자를 모두 잃어버릴 수 있는 가장 무거운 악티늄 계열 원소이다. 가장 안정한 상태는 +5이며, 고체 화합물에서는 +4로 대부분 존재한다. 넵투늄 금속은 반응성이 매우 크며, 넵투늄 이온은 가수 분해되거나 배위 화합물을 형성하기 쉽다.

현재까지 20개의 넵투늄 동위원소가 확인되었는데, ²³⁷Np는 214만년의 반감기를 가져 가장 안정하며, ²³⁶Np와 ²³⁵Np의 경우에는 각각 154,000년과 396.1일의 반감기를 가진다. 이외의 다른 동위원소는 반감기가 4.5일을 넘지 않으며, 이들 대부분은 50분 미만의 반감기를 갖는다. 임계 질량(critical mass)이 작은 ²³⁶Np는 ²³⁷Np로부터 높은 순도로 분리하기 어려워 핵연료나 원자폭탄으로 사용되지 않았으며, 넵투늄-237의 α-와 β-붕괴로 인해 최종적으로 탈륨이 되는 과정은 옆 그림과 같이 밝혀졌다.

'넵투늄 시리즈'라고 불리는 넵투늄-237의 4n+1 연쇄 붕괴 ()

²³⁷Np는 플루토늄 생산에서 전구체로 중요하게 사용되는데, 중성자를 조사하면 ²³⁸Pu가 생성되어 우주선이나 군 장비에 알파 방출자로 쓰인다.

넵투늄은 핵분열이 가능하여 ³⁾ 이론적으로는 60 kg의 임계 질량을 가지고 빠른 중성자 반응로나 핵무기의 연료로 사용될 수 있어 잠재적 활용성이 높다고 볼 수 있다.

1. ' Mcmillan, Edwin; Abelson, Philip (1940). 'Radioactive Element 93'. Physical Review. 57 (12): 1185–1186.'
2. ' Hindman J. C. 1968, 'Neptunium', in C. A. Hampel (ed.), The encyclopedia of the chemical elements, Reinhold, New York, pp. 434.'
3. ' Weiss, Peter (2 July 2009). 'Neptunium nukes?: Little-studied metal goes critical'. Science News. 162 (17): 259.'