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[케뉴-원소이야기] 퀴리부부의 이름을 딴 방사성 원소 '퀴륨'
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[케뉴-원소이야기] 퀴리부부의 이름을 딴 방사성 원소 '퀴륨'
  • 이민준 기자
  • 승인 2021.02.19 17:03
  • 댓글 0
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1944년 캘리포니아 버클리 대학 연구진 처음 생산
2016년, 'Curious Marie(호기심 많은 마리)'라고 불리는 금속 조각에서 퀴륨 증거 발견
2020년 미국·독일 공동연구팀, 퀴륨의 화학적 성질 바꿀 수 있다고 밝혀

화학의 가장 기본적인 원소와 우리 생활과의 연관된 이야기들로 독자 여러분들을 찾아가려고 합니다. 원소의 개수가 118개라고 하니 앞으로 다양한 이야기들을 기대해주세요. [편집자주]

(우측상단)처음으로 큐륨 원자가 합성된 버클리 연구소의 60인치 사이클로트론. 사이클로트론의 발명가인 어니스트 로렌스가 오른쪽에 있다. (우측하단) 화성 탐사 로버에서 사용되는 알파 입자 X- 선 분광기 (APXS). 암석과 토양의 대부분의 주요 원소의 농도를 결정하기 위해 소량의 curium-244를 사용한다. /사진=NASA, Chemicool 갈무리

폴란드 출신의 프랑스 화학자이자 물리학자인 마리 퀴리와 그의 남편 피에르 퀴리의 이름을 딴 원소가 있다. 

기호 Cm, 원자 번호가 96번인 '퀴륨(Curium)'이 바로 그것이다. 대부분 방사성 원소가 속하는 악티늄족이며, 세 번째 합성 트랜스 우라늄 원소다. 자연에서 존재하지 않고, 합성 원소이자 중성자로 플루토늄을 폭격해 원자로에서 생산된다.

미국 국립생명공학정보센터에 따르면 1944년 캘리포니아 버클리 대학에서 근무하는 글렌 T, 시보그, 랠프 A. 제임스, 앨버트 기오소 등에 의해 처음 발견되었다. 그들은 사이클로트론이라는 장치에서 퀴륨242 원자와 하나의 자유 중성자를 생성했다.

연구자들은 처음에 퀴륨을 매우 밀접한 또 다른 새로운 원소인 아메리슘 또는 판데모늄에서 분리하는 데 어려움을 겪었기 때문에 퀴륨을 '델리리움'이라고도 불렀다. 캘리포니아 대학의 연구진이 1947년에 수산화퀴륨 형태의 가시적인 양의 퀴륨242를 처음 분리했고, 1952년 캘리포니아 버클리에서 처음으로 금속 퀴륨을 생산했다.

주기율표상의 '퀴륨' /PubChem 갈무리

퀴륨은 천연 형태에서 단단하고 밀도가 높아 실온에서 고체이며, 은색 금속으로 알려져 있다. 퀴륨은 방사능으로 인체에 유해하다. 체내에 흡수된 퀴륨은 뼈에 축적되기 때문에 방사선이 골수를 파괴해 적혈구 형성을 막아 매우 독성이 강하다.

미국 에너지부에 따르면 광택이 나고 연성이 좋으며, 화학 반응성이 뛰어나고 알루미늄보다 전기적으로 더 강하다. 퀴륨 금속은 이중 육각형 폐쇄 패킹과 고온면 중심 입방형 폐쇄 패킹 구조의 두 가지 결정 형태로 존재하며 묽은 산에 빠르게 용해된다고 한다. 

퀴륨242는 그램 당 3와트의 열에너지를 생성하며, 퀴륨242와 퀴륨244 모두 공간 및 의료 용도의 전원으로 사용되었다. 퀴륨244는 강력한 알파 방출기이며 우주선 및 기타 원격 응용 프로그램에 사용하기 위한 방사성 동위 원소 열전 발전기(RTG)의 잠재적인 전원으로 연구되고 있다.

46억년 전 이 운석암에서의 우라늄 동위원소 분석은 큐륨 동위원소가 오래 존재했음을 시사한다. /사진=시카고 대학

2016년 사이언스 어드밴스(Science Advandes)에 실린 시카고 대학과 매사추세츠 공과대학의 우주화학팀의 연구에 따르면 탄소가 풍부한 운석에서 가져온 'Curious Marie(호기심 많은 마리)'라고 불리는 특이한 세라믹 조각에서 퀴륨의 증거를 발견했다. 이것은 우리 태양계가 형성되는 동안 희귀한 원소가 존재했음을 나타냈다. 초기 태양계에서 원소의 존재 가능성에 관한 논쟁을 끝낼 수 있는 놀라운 발견이라는 평가가 나오기도 했다. 연구진은 이 발견이 형성 당시의 퀴룸247의 존재에 의해서만 설명될 수 있다고 말한다.

'초기 태양 성운 응축 물에서 우라늄 동위 원소 변이의 기원' 의 연구그림 /사이언스 어드밴스 

악티늄족은 자연에서 찾을 수 없고 수명이 짧다. 방사성 원소는 반감기가 극도로 짧기 때문에 결정구조나 화학적 성질을 연구하기가 매우 어렵지만, 2020년 7월 '네이처'에 발표된 미국 플로리다주립대와 독일의 아헨공대 공동연구팀은 퀴륨의 화학적 성질을 바꿀 수 있다고 밝힌 바 있다.

퀴륨은 밀리그램 양만 생산되었고 향후 방사성 동위 원소 열전 발전기에 사용될 수 있지만 현재 상업적으로 응용되지 않고 있으며, 주로 기초 과학 연구에 사용된다. 이산화퀴륨(CmO2), 삼산화퀴륨(Cm2O3), 브롬화퀴륨(CmBr3), 염화퀴륨(CmCl3), 염화퀴륨(CmCl3), 테트라불화퀴륨(CmF4) 및 요오드화퀴륨(CmI3) 등을 과학자들이 퀴륨 화합물로 만들어냈다. 대부분 3가 퀴륨 화합물은 약간 노란색이라고 한다.

[케미컬뉴스=이민준 기자]



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