TV에서 예능 프로를 보다 보면, 출연자들이 갑자기 목소리가 변해 이상한 소리를 내며 웃음을 주는 장면이 나온다. 아이들은 누구나 풍선을 좋아한다. 운동선수들이 다치면 MRI 영상 촬영을 한다. MRI 영상 촬영, 풍선, 음성 변조에 공통으로 사용되는 원소는 무엇일까? 답은 헬륨이다. 헬륨이 어떤 원소이고, 어떻게 발견되었고, 어떻게 얻어져 어떻게 이용되는지 알아 보기로 하자.
원소번호 2번, 헬륨
헬륨
은 원자번호 2번의 원소로 원소기호는 He이다. 주기율표에서 18족, 즉 비활성 기체족
에 속한다. 다른 비활성기체족 원소와 마찬가지로, 1기압, 실온에서 단원자 분자 기체로 존재하며 화학 반응성이 아주 낮다. 헬륨은 우주에서 수소 다음으로 많은 원소로, 우주 질량의 약 1/4를 차지한다. 가볍고 폭발성이 없어 기구, 비행선, 풍선 등을 띄우는 기체로 쓰이며, 끓는점이 아주 낮아 초저온 과학 실험이나 의학 진단 MRI와 같이 초저온이 필요한 장치에 필수적으로 사용된다.
원자번호 2번, 헬륨. |
헬륨 원소 정보. |
헬륨의 발견
헬륨은 지구에서보다는 태양 스펙트럼에서 먼저 발견되었다. 1868년 개기일식 때, 프랑스의 장센(P. Janssen, 1824~1907)이 태양의 채층 스펙트럼에서 밝은 노란색 선을 발견하였다. 이후 영국의 천문학자 로키어(J. N. Lockyer, 1836~1920)도 태양 스펙트럼에서 같은 선을 발견하였고, 새로운 원소에 의한 것으로 확인하였다. 로키어와 화학자 프랭크랜드(E. Frankland, 1825~1899)는 이 원소가 태양에 존재하는 것이라 믿고 그리스어로 태양을 뜻하는 'helios'에서 따와 헬륨(helium)이라 명명하였다.
1882년에는 팔미에리(L. Palmieri)가 지구 상에서는 처음으로, 베수비우스 화산암에서 분광학적으로 헬륨을 검출하였다. 램지(W. Ramsay, 1852~1916)는 1895년에 클레베석이라 불리는 우라늄 광석에 갇혀 있는 기체를 분리하고는, 이 기체가 당시에 믿고 있던 질소가 아니라 헬륨임을 증명하였다. 1900년에는 대기에서 분리한 네온 시료에서 헬륨을 분리하였으며, 1907년에는 알파(α)- 입자가 헬륨의 원자핵이라는 것이 밝혀졌다. 헬륨의 안정한 동위원소는 3He와 4He이며, 이들의 존재비는 이들의 생성 원에 따라 크게 다르나, 대략적으로 4He가 100만 배 정도 많다. 3He는 삼중수소(31H)의 베타(β) 붕괴로 생성된다.
프랑스의 장센. |
영국의 로키어. |
원자구조와 원소 성질
헬륨은 안정한 전자배치를 갖고 있으며, 이온화 에너지가 모든 원소 중에서 가장 크다. 4He는 원자핵 결합에너지도 아주 크다. 이 때문에 핵융합이나 무거운 원소의 방사능 붕괴 반응에서 4He가 흔히 생성된다.
헬륨은 단원자 분자로 존재한다. 헬륨의 끓는점은 모든 원소 중에서 가장 낮고, 1기압에서는 절대 영도에서도 고체로 존재하지 않는다. 헬륨의 밀도는 수소 다음으로 작고, 공기 밀도의 약 1/7에 불과하다. 질량이 작기 때문에, 헬륨은 열 전도율, 비열이 수소 다음으로 크다. 헬륨 기체에서의 음속은 일반 공기에서 보다 3배나 빨라, 성대 부근이 이 기체로 가득 차면 성대의 진동이 공기에서와는 다른 주파수로 전해져 목소리가 달라진 것으로 들린다. 물에 대한 용해도는 기체 중에서 가장 작다.
헬륨의 선스펙트럼.
화합물
헬륨은 원소 중에서 네온 다음으로 화학 반응성이 작은 원소이다. 따라서 헬륨 화합물은 일상적으로는 찾아볼 수 없다. 헬륨 화합물
들은 이론과 실험의 연구 대상으로, 몇 가지의 화합물이 발견된 정도다.
헬륨의 분포와 생산
헬륨은 우주에서는 아주 풍부한 원소이나 대기 중에는 극미량 포함되어 있다. 헬륨은 아주 가벼워 지구의 중력으로는 잡아 둘 수 없어 지구 탄생시 생성된 헬륨은 거의 모두 지구를 탈출하였고, 지구상의 헬륨은 무거운 원소의 알파(α)-붕괴로 생성된 것들이 암반에 포획되어 있는 것이 대부분이다. 따라서 헬륨은 방사성 광물에 많이 포함되어 있다. 천연가스에는 상당량의 헬륨이 포함되어 있는데, 그 양은 7% 까지나 된다. 이러한 천연가스를 분별 증류시켜 헬륨을 얻는데, 그 양이 상당하다. 헬륨은 리튬이나 붕소에 고속 양성자를 충돌시켜 얻을 수도 있지만, 이 방법은 경제성은 없다.
헬륨가스는 풍선을 부풀리는 데 사용된다. 헬륨가스를 들이마시면 일시적으로 목소리가 달라진 것으로 들린다. <출처: gettyimages> |
맨하탄 상공을 날고 있는 비행선 USS Akron. 20세기 초반 실용화된 비행선을 채우는 데도 가벼우면서도 폭발성이 없는 헬륨가스가 사용되었다. |
헬륨의 이용
헬륨의 주된 용도는 아주 낮은 끓는점을 이용한 초저온 과학 연구 및 응용 분야이다. 액체 헬륨은 의료 진단용 MRI나 화학과 생물학 연구에서 사용되는 고성능 핵자기공명(NMR) 분광기의 자석을 극저온으로 냉각시켜 초전도 성질을 갖도록 하는데 사용된다. 헬륨은 또한 용접이나 여러 실험 및 생산 장치에서 산소와 같은 반응성이 큰 기체를 제거하는데 사용된다. 실리콘이나 게르마늄 반도체 결정을 성장시킬 때 보호 기체로도 이용된다.
또한 가벼우면서도 폭발성이 없어 풍선, 기구, 비행선을 띄우는 기체로 사용되며, 화학 분석에서 많이 사용되는 기체크로마토그래피(GC)의 운반 기체로도 이용된다. 헬륨은 신경 조직에 대한 용해도가 작기 때문에, 잠수부가 사용하는 산소통의 질소를 대체하여 잠수병을 예방하는데도 사용된다. 그리고 고진공 장치나 고압 용기의 누출을 검출하는데도 헬륨이 사용된다. 이외에도 헬륨-네온 레이저, 암석 및 광물 연대 측정, 로켓에서 연료와 산소를 밀어내는데, 음성 변조, 핵 반응기 열전달체 등 아주 다양한 용도로 헬륨이 이용된다.
액체 헬륨은 초저온이 필요한 의료 진단용 MRI에서 사용된다. <출처: (CC)KasugaHuang at Wikipedia.org> |
헬륨은 신경 조직에 대한 용해도가 작기 때문에, 잠수부가 사용하는 산소통의 질소를 대체해 잠수병을 예방하는데 사용된다. <출처: (CC)Soljaguar at Wikipedia.org> |
응집체 물리학 연구의 주요 대상인 헬륨 액체와 초유동체
액체 헬륨은 온도에 따라 특성이 다른 상을 보인다. 끓는점(4.22 K)과 어떤 특정 온도
사이 액체 헬륨을 헬륨 I 상태라 하는데, 이 온도 구간에서는 4He이 일반 액체와 마찬가지로 열을 가하면 끓고, 온도가 내려가면 부피가 줄어든다. 그러나 이 온도 이하의 액체 헬륨은 완전히 다른 특성을 보인다. 이를 헬륨 II상태라고 한다.
헬륨 II는 열전도율이 헬륨 I보다 백만 배, 그리고 구리보다 수백 배 더 크다. 이 때문에 열을 가하면 끓지 않고 바로 기체로 증발한다. 헬륨 II는 점성이 전혀 없는 액체인 초유동체(superfluid)의 특성을 보인다. 밀폐되지 않은 용기에 담긴 헬륨 II는 용기 벽을 따라 기어 나온다. 3He은 4He보다 훨씬 낮은 온도에서 초유동성을 보인다. 이와 같은 액체 헬륨의 특성은 양자역학적 영향에 의한 것으로 설명되며, 이 때문에 액체 헬륨은 응집체 물리학의 주요 연구 대상이 되어왔다.
- 수치로 보는 헬륨
헬륨은 우주에서 2번째로 많아 우주 질량의 24%(수소는 76%)를 차지한다. 헬륨의 태양 스펙트럼 파장은 587.49nm이다. 표준 원자량은 4.0026g/mol이다. 전자배치는 1s2이다. 끓는점은 원소 중 가장 낮은 -268.93 °C이며, 어는점은 25기압에서 -272.20°C이다. 1기압에서는 절대영도에서도 액체상태이다. 이온화 에너지는 모든 원소 중에서 가장 크고, 그 값은 2,372 kJ/mol이다. 밀도는 0 oC, 1기압에서 0.1786 g/L로 수소(밀도 0.0893 g/L) 다음으로 작고, 공기 밀도의 약 1/7에 불과하다. 헬륨은 대기 중에는 부피비로 5.24ppm(1ppm은 0.0001%) 포함되어 있다. 천연가스에서 분별 증류로 생산되는 양은 연간 약 3,200만 Kg(2008년 기준, 0oC, 1기압으로 환산시 1억 9300만 m3)이다. - 비활성 기체
헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn)을 말함. 모두 1기압, 실온에서 단원자 분자 기체로 존재하며 화학 반응성이 아주 낮다. - 헬륨 화합물
HHeF, CsFHeO, N(CH3)4FHeO 등 몇 가지 헬륨 화합물들이 이론적으로 예측되었고, HHeF와 HgHe는 실제로 발견되었다. - 헬륨 I와 헬륨 II의 경계 온도
헬륨 I와 헬륨 II의 경계 온도, 즉 액체 헬륨의 특성이 크게 변하는 온도를 람다(λ) 온도라고 한다. 2.1768K이다.글 박준우 / 이화여대 명예교수
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