안정성의 섬(Island of stability)
안정성의 섬(Island of stability)은 화학보다는 물리학(핵물리)에서 양성자 또는 중성자 또는 모두가 마법의 수(Magic number)가 되어 긴 반감기(안정한)를 갖는 동위원소를 의미합니다. 마법의 수는 2, 8, 20, 28, 50, 82이고 중성자의 경우는 126이 포함되고, 확장된 개념의 마법의 수는 양성자 114, 120, 126이고, 중성자는 184로 추정합니다.
화학에서는 주기마다 최외곽전자수(원자가전자수)가 8개 다 채워졌을때를 가장 안정한 상태로 판단합니다. 물리학에서도 이것을 부정하지는 않지만 약간 다릅니다. 왜냐하면 화학에서는 최외곽전자수의 '전자껍질(electron shell)'이 화학적 안정성의 기준이라면, 물리학에서는 양성자와 중성자가 모두 채워진 '원자핵껍질(unclear shell)'이 물리적으로 안정성의 기준이 됩니다. 보통 이 두개가 같이 고려되기도 합니다.
마법의 수는 양성자 또는 중성자 수가 같은 범주의 동위원소들을 모두 포함합니다.
물리학에서 원자핵 에너지 준위 상태의 순서는 화학의 전자 에너지 준위 상태의 순서와 다릅니다. 물리학에서는 전자가 아니라 양성자 또는 중성자의 상태입니다.
<그림출처 : http://202.141.40.218/wiki/index.php/The_Shell_Model>
l(궤도양자수) = N, N-2, N-4 ....에 의해 N=0일때 l=0, N=1일때 l=1, N=2일때 l=0, 2로 나옵니다. 화학에서 l=0이면 s오비탈. l=1이면 p오비탈, l=2이면 d오비탈, l=3이면 f오비탈입니다(l값이 0, 1, 2, 3, ···인 전자 궤도를 s, p, d, f, ··· 기호로 나타냅니다).
화학에서는 나오지않는 오비탈도 나오는데, l=4일때 g오비탈, l=5일때 h오비탈이 나옵니다.
『원자핵의 각운동량(j)은 에너지 준위를 나타낸 것으로, 예를 들면 3d 5/2라는 준위는 주양자수 n＝3, 핵자의 궤도 운동의 각운동량을 나타내는 방위양자수(궤도양자수) l＝2, 핵자의 궤도 운동과 핵자의 스핀 합성에 따른 전체 각운동량을 나타내는 양자수 j＝2＋1/2＝5/2의 양자 상태에 상당한다. 각 준위에 들어갈 수 있는 핵자의 수는 파울리배타원리에 의해 2j＋1까지로 한정된다.
출처 : [네이버 지식백과] 원자핵의 껍질 구조[原子核-構造, nuclear shell structure] (화학대사전, 2001. 5. 20., 세화)』
l(궤도양자수) = N, N-2, N-4 ....에 의해 에너지레벨(n)에 따른 방위양자수(궤도양자수) l의 상태와 취하는 양자수(양성자 또는 중성자)는 아래와 같습니다.
원자핵의 각운동량 양자수(j)는 다음과 같습니다. j=1/2일때 양자수 2개, j=3/2일때 양자수 4개, j=5/2일때 양자수 6개, j=7/2일때 양자수 8개, j=9/2일때 양자수 10개, j=11/2일때 양자수 12개입니다.
원자핵의 각운동량의 양자수는 양성자와 중성자의 구분이 없이 184개의 상태가 존재합니다.
화학에서 전자의 에너지가 높아지는 순서가 있듯이(최외곽전자수 8개를 맞추기 위함), 원자핵의 전자껍질의 궤도는 다음과 같은 에너지가 높아지는 순서가 있습니다.
각 원자핵의 껍질에 양성자와 중성자가 다 채워진 상태(궤도의 마지막 상태)가 마법의 수(Magic number)가 됩니다.
<그림출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_shell_model>
안정성의 섬은 원자번호114(양성자수 114) 플레로븀(Fl)이 발견되면서 안정성의 섬 이론은 어느정도 증명이 되었습니다. 앞으로의 과제는 그보다 더 무거운 원자핵을 인공합성시켜 이 이론을 더욱 증명하는 것인데, 원자핵이 무거워질수록 반감기가 극히 짧아 존재를 확인하기 어렵고 합성자체도 쉽지 않습니다. 따라서 아직까지 원자번호 119이후의 원소들은 인공합성하기 쉽지 않습니다. 다만 안정성의 섬 이론이 맞다면 이 섬에 있는 동위원소(반감기가 몇분이상)들은 인공합성되어 존재를 확인할 수 있는 기회가 있을 것입니다.
<관련자료 : 원소들의 마법의 수(Magic number) - 원소들의 불연속성>