프로트악티늄 Pa

발견의 역사

주기율표를 만든 멘델레예프는 1871년 토륨과 우라늄 사이에 아직 알려지지 않은 원소가 있다고 예측했다. 그 빈칸을 처음 채운 것은 1913년 독일 카를스루에의 카지미에시 파양스와 오스발트 괴링이다. 두 사람은 우라늄의 붕괴 사슬에서 약 1분 만에 사라지는 짧은 수명의 동위원소(지금의 프로트악티늄-234m)를 찾아냈고, 수명이 짧다는 뜻으로 '브레븀(brevium)'이라 불렀다.

1917~1918년 베를린의 오토 한과 리제 마이트너는 수명이 훨씬 긴 동위원소 프로트악티늄-231을 확인했고, 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴도 비슷한 시기에 독자적으로 같은 결과를 얻었다. 오래 남는 동위원소가 원소의 성질을 대표하게 되면서 한과 마이트너가 붙인 이름이 자리를 잡았다.

순수한 시료를 얻기는 매우 어려웠다. 아리스티드 폰 그로세가 1927년 산화물을, 1934년에 금속을 처음 분리했다. 1960년대 초 영국 원자력청은 우라늄 정련 찌꺼기 약 60톤을 처리해 100그램 남짓한 프로트악티늄을 모았는데, 이 시료가 오랫동안 전 세계 연구의 주요 공급원이 되었다.

이름의 유래

한과 마이트너는 '처음의, 앞선'을 뜻하는 그리스어 protos와 악티늄을 합쳐 '프로토악티늄(protoactinium)'이라 이름 지었다. 프로트악티늄-231이 알파 붕괴해 악티늄-227을 만들기 때문이다. 발음을 쉽게 하려고 1949년 IUPAC이 한 글자를 줄여 지금의 protactinium이 되었다. 기호 Pa는 이름의 앞 두 글자다. 한국어 이름은 대한화학회 표기에 따라 '프로트악티늄'으로 쓴다.

주요 용도

• 과학 연구: 순수한 프로트악티늄은 거의 연구용으로만 쓰인다. 5f 전자가 막 채워지기 시작하는 위치라 악티늄족 화학의 성질을 이해하는 데 중요한 시험대다.
• 해양·기후 연구: 바닷물 속 우라늄에서 생긴 프로트악티늄-231과 토륨-230은 입자에 달라붙는 정도가 달라 퇴적물에 서로 다른 비율로 쌓인다. 이 비율로 과거 대서양 심층 해류의 세기를 추정하는 연구가 활발하다.
• 토륨 원자로 연구: 토륨 연료 주기에서는 토륨-232가 중성자를 흡수한 뒤 프로트악티늄-233을 거쳐 핵연료 우라늄-233이 된다. 그래서 차세대 원자로 설계에서 이 중간 단계의 거동이 중요하게 다뤄진다.

동위원소

프로트악티늄에는 안정 동위원소가 없다. 가장 오래 사는 프로트악티늄-231의 반감기는 약 3만 2,800년으로, 우라늄-235 붕괴 사슬에 속해 자연에 존재한다. 이 동위원소와 토륨-230을 짝지으면 수십만 년 이내의 해저 퇴적물이나 산호의 나이를 잴 수 있다. 프로트악티늄-233은 반감기가 약 27일이며 토륨 연료 주기의 핵심 중간체다. 파양스가 처음 발견한 프로트악티늄-234m은 반감기가 약 1.2분에 불과하다.

생활 속 원소

일상에서 프로트악티늄을 마주칠 일은 사실상 없다. 우라늄 광석 1톤에 들어 있는 양이 1그램에도 한참 못 미칠 정도로 적기 때문이다. 다만 모든 우라늄 광물과 그 주변 토양에는 미량이 섞여 있다. 알파선을 내는 강한 방사성 물질이고 화학적 독성도 커서, 연구실에서는 밀폐된 글러브박스 안에서만 다룬다. 들이마시거나 삼키면 뼈 등에 쌓일 수 있으므로 일반인이 접근할 수 있는 형태로 유통되지 않는다.