천연원소는 몇 가지일까?

자연상태에서 발견되는 원소는 몇 가지인가? 대부분의 자료를 찾아보면 이 답을 92 가지라고 한다. 왜냐하면 우라늄(U, uranium, 92 번)을 자연상태에서 발견할 수 있는 가장 무거운 원소로 생각하고, 그보다 가벼운 원소는 모두 발견됐을 것으로 믿고 있기 때문이다. 그런데 실제로는 그렇지 않다. 아래의 목록은 멘델레예프(Dmitrii Ivanovich Mendeleev, 1834.2.8~1907.2.2)가 원소주기율표를 발견할 때 주기율표에서 비었던 4 가지에 대한 이야기다.

1. 테크네튬(Tc, technetium, 43 번)
2. 프랑슘(Fr, francium, 87 번)
3. 아스타틴(At, astatine, 85 번)
4. 프로메튬(Pm, promethium, 61 번)

테크네튬은 1952 년 적색거성을 분광하면서 발견되었는데 헬륨에 이어 두 번째로 분광에 의해 발견된 원소가 되었다. 지구상에서는 나중에 지구의 우라늄광석에서 발견되었다. 아스타틴도 나중에 우라늄광석에서 발견되었다. 자연상태에서 발견되는 원소 중에서는 아스타틴이 가장 적게 발견되는 원소이고, 테크네튬이 두 번째일 것이라고 추측된다.
프랑슘은 멘델레예프가 원소주기율표를 발표하면서 존재와 성질을 예측했던 원소중 하나였다. 22 분의 반감기를 갖는 ²²³Fr이 가장 안정하여 자연상태에서는 발견되지 않는다. 프로메튬은 ¹⁴⁵Pm가 17.7 년의 반감기를 갖는 가장 안정된 핵종이다. 그런데 이 녀석은 재미있는 이야기거리도 없다.
결국 우라늄보다 가벼운 원소 중에서 자연상태에서 발견되지 않은 원소는 프랑슘과 프로메튬 뿐이다.
그리고…..

5. 플루토늄(Pu, plutonium, 94번)

한편 우라늄광석에서 발견된 의외의 원소가 있으니 바로 플루토늄이다. 플루토늄은 일반적으로 자연상태에 존재하지 않을 것으로 예상됐고, 1940년에 우라늄238(²³⁸U)에 중수핵(D)을 충돌시켜 만들었다. 그리고 이 결과물은 원자력전지로 사용된다. 그런데 훨씬 나중에 우라늄광석에서 약간이지만 천연으로 발견된다.

결국 우리가 자연상태에서 발견할 수 있는 원소는 총 91 가지다. 불완전하여 독자적으로 발견될 수 없는 원소를 제외한다면 멘델레예프가 원소주기율표를 발견했을 때 알려졌던 88 가지라고 할 수 있다.
그리고 위키피디아 ‘주기율표‘ 항목에서 보듯이 발견되지는 않았지만 붕괴과정에서 나타났을 원소까지 모두를 세 보자면 캘리포늄(Cf)까지 95 가지다. 그러나 프란슘(Fr)처럼 반감기 22 분밖에 안 되는 원소라면 천연상태에 있다고 말하기는 힘들지 않을까?

ps.
『최무영 교수의 물리학 강의』는 참 좋은 책이다. 그런데 읽다보니 천연에 존재하는 원소가 92 가지라고 나왔다. 이 책에서 발견한 3 가지 오류중 하나이다. 독후감에서 언급해야 하는데, 설명이 너무 길어질 것 같아서 하나의 포스트로 작성한다.