원소 주기율표의 끝은 어디일까요? 현재까지 확인된 가장 무거운 원소는 오가네손(Oganesson, 원소번호 118)입니다. 하지만 이론적으로는 더 무거운 원소가 존재할 수 있습니다. 우주 어딘가에는 원자번호 119번, 120번, 심지어 그 이상의 원소가 있을지도 모릅니다. 과학자들은 지구의 입자 가속기에서 초중원소(Superheavy Elements)를 합성하는 데 성공했지만, 그 한계는 어디일까요? 이 글에서는 무거운 원소의 비밀과 인공 합성의 가능성, 그리고 미래의 원소 주기율표를 자세히 살펴보겠습니다.
※ 아래는 초중원소를 표현한 이미지입니다.
📑 목차
- 무거운 원소는 어떻게 만들어질까?
- 지구에서 원소 만들기: 입자 가속기의 마법
- 초중원소의 도전: 왜 오래 버티지 못할까?
- 안정성의 섬: 영원한 초중원소는 가능한가?
- 미래의 원소: 119번, 120번 그리고 그 너머
- 결론: 주기율표의 한계는 어디인가
무거운 원소는 어떻게 만들어질까?
우주에 존재하는 모든 원소는 어디선가 만들어졌습니다. 가벼운 원소인 수소와 헬륨은 빅뱅에서 직접 탄생했습니다. 우주가 생긴 지 불과 3분 만에 수소 원자핵들이 융합하여 헬륨을 만들었습니다. 하지만 그보다 무거운 원소들은 다른 곳에서 만들어졌습니다.
탄소, 산소, 질소 같은 중간 무게의 원소들은 별의 내부에서 탄생합니다. 별의 중심부는 온도가 수천만 도에 달하며, 이런 극한 환경에서 수소가 헬륨으로, 헬륨이 탄소로, 탄소가 산소로 융합됩니다. 이 과정을 핵융합이라고 합니다. 태양도 지금 수소를 헬륨으로 바꾸는 중입니다.
철보다 무거운 원소들은 별의 일반적인 핵융합으로는 만들어지지 않습니다. 철까지 융합하면 에너지를 얻을 수 있지만, 철보다 무거운 원소를 만들려면 오히려 에너지를 투입해야 합니다. 그래서 초신성 폭발 같은 극단적인 사건이 필요합니다. 거대한 별이 수명을 다하고 폭발할 때, 막대한 에너지와 중성자가 방출됩니다.
이 중성자들이 철 원자핵에 계속 달라붙으면 점점 더 무거운 원소가 만들어집니다. 이것을 r-과정(rapid neutron capture)이라고 부릅니다. 금, 백금, 우라늄 같은 무거운 원소들은 이렇게 탄생했습니다. 최근에는 중성자별 충돌이 초신성보다 더 효율적으로 무거운 원소를 만든다는 사실이 밝혀졌습니다.
하지만 자연에서 만들어지는 가장 무거운 안정적인 원소는 우라늄(원소번호 92)입니다. 우라늄보다 무거운 원소들은 방사성이 너무 강해서 오래 버티지 못합니다. 지구에 우라늄이 여전히 존재하는 이유는 반감기가 약 45억 년으로 매우 길기 때문입니다. 이보다 무거운 원소들은 대부분 빠르게 붕괴하여 사라집니다.
지구에서 원소 만들기: 입자 가속기의 마법
20세기 중반부터 과학자들은 자연에 존재하지 않는 무거운 원소들을 인공적으로 만들기 시작했습니다. 첫 번째 인공 원소는 1940년 발견된 넵투늄(원소번호 93)입니다. 버클리 대학의 과학자들이 우라늄에 중성자를 쏘아 만들었습니다. 그 다음은 플루토늄(94번), 아메리슘(95번)이 차례로 합성되었습니다.
원소를 만드는 기본 원리는 간단합니다. 가벼운 원자핵 두 개를 빠른 속도로 충돌시키면 융합하여 무거운 원자핵이 됩니다. 예를 들어 칼슘(원자번호 20)과 칼리포늄(98번)을 충돌시키면 오가네손(118번)이 만들어집니다. 20 + 98 = 118입니다. 마치 레고 블록을 붙이는 것처럼 원자핵을 합칠 수 있습니다.
하지만 실제로는 매우 어렵습니다. 원자핵들은 모두 양전하를 띠기 때문에 서로 밀어냅니다. 이것을 쿨롱 장벽(Coulomb Barrier)이라고 합니다. 이 장벽을 뚫으려면 원자핵을 빛의 속도의 10% 정도로 가속해야 합니다. 이를 위해 거대한 입자 가속기가 필요합니다.
대표적인 시설은 러시아 두브나의 플레로프 핵반응 연구소와 미국 로렌스 버클리 국립연구소입니다. 두브나 연구소는 원소번호 114~118번을 발견했습니다. 이들은 칼슘-48이라는 특수한 동위원소를 사용합니다. 칼슘-48은 중성자가 많아서 무거운 원자핵과 융합하기 쉽습니다.
원소 합성은 극도로 비효율적입니다. 수조 개의 칼슘 원자를 쏘아도 단 몇 개의 원자만 융합에 성공합니다. 오가네손은 2002년부터 2012년까지 10년 동안 단 5개 원자만 만들어졌습니다. 하나의 원자를 만드는 데 수개월이 걸릴 때도 있습니다. 그래서 초중원소 연구는 인내심의 싸움입니다.
초중원소의 도전: 왜 오래 버티지 못할까?
무거운 원소일수록 불안정합니다. 원자핵이 크면 클수록 유지하기 어렵기 때문입니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있는데, 양성자들은 서로 밀어내고 중성자들은 핵을 묶는 역할을 합니다. 양성자가 너무 많으면 반발력이 너무 강해져 핵이 쪼개집니다.
원소번호 104번 이상을 초중원소라고 부릅니다. 이들은 모두 인공적으로 만들어졌으며, 대부분 극도로 짧은 수명을 가집니다. 예를 들어 원소번호 112번 코페르니슘의 반감기는 약 29초입니다. 29초 후 절반이 붕괴합니다. 115번 모스코븀은 0.65초, 117번 테네신은 0.051초입니다.
가장 무거운 원소 오가네손은 반감기가 0.89밀리초입니다. 불과 1000분의 1초도 안 되는 시간입니다. 만들어지자마자 거의 즉시 붕괴합니다. 따라서 오가네손의 화학적 성질을 직접 연구하는 것은 불가능합니다. 원자 몇 개를 만들어도 측정하기도 전에 사라지기 때문입니다.
초중원소가 이렇게 불안정한 이유는 여러 가지입니다. 첫째, 양성자 간 반발력이 강해집니다. 양성자 100개 이상이 작은 핵 안에 모여 있으면 엄청난 전기적 반발이 일어납니다. 둘째, 핵의 크기가 커지면 표면장력 같은 효과가 약해집니다. 마치 큰 물방울이 작은 물방울보다 쉽게 깨지는 것과 비슷합니다.
셋째, 자발 핵분열이 일어나기 쉬워집니다. 무거운 원자핵은 외부 자극 없이도 스스로 쪼개질 수 있습니다. 이것은 양자역학적 터널링 효과 때문입니다. 원자핵이 에너지 장벽을 뚫고 갑자기 분열하는 것입니다. 원자번호가 클수록 이 확률이 급격히 증가합니다.
안정성의 섬: 영원한 초중원소는 가능한가?
하지만 희망이 있습니다. 핵물리학 이론은 '안정성의 섬(Island of Stability)'이라는 개념을 예측합니다. 특정 양성자와 중성자 수를 가진 초중원소는 예상보다 훨씬 안정적일 수 있다는 것입니다. 이것은 핵의 껍질 구조와 관련이 있습니다.
원자핵도 전자처럼 껍질 구조를 가지고 있습니다. 특정 수의 양성자나 중성자를 가지면 마법수(Magic Number)라고 불리는 특별히 안정적인 배치가 됩니다. 예를 들어 양성자 2개(헬륨), 8개(산소), 20개(칼슘), 28개(니켈), 50개(주석), 82개(납)은 모두 마법수입니다. 이들은 같은 무게의 다른 원소보다 안정적입니다.
이론 계산에 따르면, 양성자 114개 또는 120~126개, 중성자 184개를 가진 원자핵이 다음 마법수일 가능성이 있습니다. 원소번호 114번 플레로븀은 실제로 예상보다 안정적입니다. 가장 긴 동위원소는 반감기가 약 19초로, 주변 원소들보다 훨씬 깁니다. 이것은 안정성의 섬 이론을 뒷받침하는 증거입니다.
과학자들이 가장 기대하는 것은 원소번호 120~126번 사이입니다. 이 범위에는 양성자 수가 다음 마법수에 가까워, 반감기가 몇 분에서 몇 시간, 심지어 며칠까지 될 수 있다고 예측됩니다. 만약 이런 원소를 만든다면 화학적 성질을 실제로 연구할 수 있을 것입니다.
일부 이론 물리학자들은 더 나아가 완전히 안정적인 초중원소도 가능하다고 주장합니다. 원소번호 164번이나 172번 근처에 또 다른 안정성의 섬이 있을 수 있다는 것입니다. 이 원소들은 반감기가 수백만 년 이상일 수도 있습니다. 하지만 이것은 아직 순전히 이론적인 추측입니다.
미래의 원소: 119번, 120번 그리고 그 너머
현재 과학자들은 원소번호 119번과 120번을 만들기 위해 경쟁하고 있습니다. 러시아, 일본, 미국, 독일의 연구소들이 모두 도전하고 있습니다. 119번은 알칼리 금속 계열의 첫 번째 8주기 원소가 될 것입니다. 이론적으로는 세슘이나 프랑슘과 비슷한 성질을 가질 것으로 예상됩니다.
하지만 상대론적 효과 때문에 예상과 다를 수 있습니다. 원자핵이 무거우면 내부 전자들이 빛의 속도에 가깝게 움직입니다. 이때 아인슈타인의 상대성 이론이 작용하여 전자의 질량이 증가하고 궤도가 변합니다. 그 결과 화학적 성질이 예상과 달라질 수 있습니다. 예를 들어 금이 노란색인 이유도 상대론적 효과 때문입니다.
119번을 만들려면 티타늄(원자번호 22)과 버클륨(97번)을 충돌시키는 방법이 유력합니다. 22 + 97 = 119입니다. 하지만 버클륨은 매우 희귀하고 방사성이 강한 원소입니다. 충분한 양을 확보하고 다루는 것 자체가 큰 도전입니다. 일본의 리켄 연구소는 2018년부터 이 실험을 진행하고 있지만 아직 성공하지 못했습니다.
120번은 알칼리 토금속 계열이 될 것입니다. 칼슘, 스트론튬, 바륨의 친척입니다. 만들기 위해서는 크롬(24번)과 칼리포늄(98번)을 사용할 수 있습니다. 24 + 98 = 122이지만, 융합 과정에서 중성자 2개가 빠져나가면 120번이 됩니다. 러시아 두브나 연구소는 2020년부터 120번 합성을 시도하고 있습니다.
더 먼 미래를 보면, 원소번호 126번까지 8주기를 완성할 수 있을 것입니다. 126번은 다음 마법수이므로 상대적으로 안정적일 것으로 기대됩니다. 9주기는 164번까지 이어질 것이며, 이론적으로는 원소번호 172번, 심지어 그 이상도 가능할 수 있습니다. 하지만 실제로 합성할 수 있을지는 미지수입니다.
결론: 주기율표의 한계는 어디인가
우주에서 가장 무거운 원소를 지구에서 만들 수 있을까? 답은 '가능하지만 한계가 있다'입니다. 현재 기술로 원소번호 118번까지 만들었고, 119번과 120번도 곧 합성될 것입니다. 이론적으로는 126번, 164번, 심지어 그 이상도 가능합니다. 하지만 원자번호가 커질수록 합성 난이도는 기하급수적으로 증가합니다.
가장 큰 문제는 안정성입니다. 대부분의 초중원소는 만들어지자마자 순식간에 붕괴합니다. 안정성의 섬 이론이 맞다면, 특정 원소번호에서 반감기가 급격히 증가할 수 있습니다. 원소번호 114번이 그 첫 번째 증거였습니다. 120~126번 사이에 또 다른 섬이 있을 것으로 기대됩니다.
기술적 한계도 있습니다. 초중원소를 만들려면 더 강력한 입자 가속기와 더 희귀한 표적 물질이 필요합니다. 예를 들어 126번을 만들려면 아인슈타이늄(99번) 같은 극도로 희귀한 원소가 필요할 수 있습니다. 이런 물질은 전 세계에 몇 마이크로그램밖에 없습니다. 생산하는 데만 수년이 걸립니다.
이론적 한계도 있을 수 있습니다. 일부 물리학자들은 원소번호 173번 근처가 절대적 한계라고 주장합니다. 그 이상이 되면 내부 전자가 빛의 속도를 초과해야 하는데, 이것은 상대성 이론에 위배됩니다. 따라서 주기율표는 무한히 확장될 수 없고 어딘가에서 끝날 것입니다.
하지만 과학의 역사는 한계를 극복하는 과정이었습니다. 20세기 초만 해도 원자를 쪼갤 수 없다고 생각했습니다. 1950년대에는 원소번호 100번 이상은 불가능하다고 여겼습니다. 하지만 우리는 118번까지 도달했습니다. 미래의 기술은 우리가 상상하지 못한 방법으로 더 무거운 원소를 만들 수 있을지 모릅니다.
초중원소 연구는 단순한 호기심 이상의 가치가 있습니다. 원자핵의 한계를 탐험하면서 우리는 물질의 본질을 이해하게 됩니다. 핵력이 어떻게 작동하는지, 양자역학이 극한 상황에서 어떻게 적용되는지, 우주의 원소들이 어떻게 만들어졌는지 알게 됩니다. 이 지식은 언젠가 새로운 기술로 이어질 수 있습니다.
주기율표는 아직 끝나지 않았습니다. 다음 세대 과학자들이 119번, 120번을 만들 것이고, 그 다음 세대는 126번, 164번에 도전할 것입니다. 인류의 호기심은 계속해서 주기율표를 확장시킬 것입니다. 우주에서 가장 무거운 원소가 무엇인지 우리는 아직 모릅니다. 하지만 그것을 찾으려는 노력은 결코 멈추지 않을 것입니다.