헬륨 [Helium]
헬륨은 화학 원소로, He이고 원자번호는 2이다. 질량수가 3인 ³He과 4인 ⁴He이 있다. 화학 원소 중 끓는점이 가장 낮으며, 상압에서는 영점에너지로 인하여 절대영도에서도 액체로 존재할 수 있는 유일한 원소다.
1868년 일식 동안 태양의 색층을 분석하기 위해 분광계를 사용하여 프랑스 천문학자 Jules Janssen은 스펙트럼에서 아직 발견되지 않은 원소의 존재를 나타내는 특이한 노란색 선을 발견했습니다. 몇 달 후, 영국의 화학자 Joseph Norman Lockyer와 Edward Franklin은 햇빛에서 동일한 스펙트럼 선을 관찰했고 동일한 결론에 도달했습니다. 두 사람은 그리스 태양의 신인 헬리오스의 이름을 따서 ‘헬륨’이라는 이름을 제안했는데, 이는 지구가 아닌 우주에서 발견되는 첫 번째 원소에 적합합니다. 스코틀랜드의 화학자 윌리엄 램지 (William Ramsay)는 1895년 우라늄 광석 클레 베이트 샘플을 처리하여 원소를 성공적으로 분리 한 최초의 사람으로 지구상에서 그 존재를 증명했습니다.
행성의 범위에 국한된 헬륨은 상대적으로 희소한 원소이며 우라늄과 토륨 같은 원소의 방사성 붕괴를 통해서만 생성됩니다 . 5.2ppm의 대기에서 여섯 번째로 풍부한 가스이며 탈출 속도를 소유 할 수있을 만큼 가벼운 유일한 원소 중 하나이며 지구에서 형성되는 것과 거의 같은 속도로 대기를 떠납니다. 그러나 우주에서는 헬륨이 훨씬 더 널리 퍼져 있습니다. 그것은 총 관측 가능한 질량의 24%를 차지하는 수소 다음으로 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이며, 주로 양성자를 헬륨 핵으로 융합하여 빛과 열을 생성하는 수소 연소 별의 핵에서 생성됩니다.
헬륨은 극도의 화학적 불활성으로 인해 오랫동안 과학자들에게 알려지지 않았기 때문에 기존의 방법으로는 감지하기가 어려웠습니다. 이 불활성은 “고귀한 가스”(네온과 아르곤을 포함하는 주기율표의 그룹으로 알려진 원소의 특징이며, 극도의 안정성과 다른 원소와 반응하지 않으려는 것은 외부 원자가 껍질의 완전성 때문입니다. 무취, 무색, 무독성 인 헬륨은 고귀한 가스 중에서 가장 가볍고 수소 다음으로 우주의 모든 원소 중 두 번째로 가볍습니다. 모든 헬륨 원자의 99.999 %가 안정 동위 원소로 존재합니다. 헬륨 -4, 두 개의 양성자, 두 개의 중성자, 두 개의 전자가 하나의 껍질에 들어 있습니다. 주기율표에서 가장 안정적이고 불활성 인 원소를 생성하는 이 구조는 자연 상태에서 항상 순수한 원소 형태로 존재하는 단일 원자 가스입니다. 네온은 안정된 화합물에서 다른 원소와 결합하는 것으로 관찰 된 적이 없는 헬륨 이외의 유일한 원소입니다. 그러나 절대 영도에 가까운 온도와 극심한 압력에서 헬륨은 나트륨 , 불소 및 질소 와 같은 원소와 함께 불안정한 엑시머 분자를 형성 할 수 있습니다. 헬륨 -4 핵은 그 자체로 알파 입자로 알려져 있으며, 입자는 알파 형 방사성 붕괴로 방출됩니다. 천연 헬륨의 약 0.0001%는 다른 안정한 동위 원소 인 헬륨 -3으로 구성되며, 그 핵은 하나의 중성자를 가지며 헬리온이라고합니다. 헬륨 -3의 존재는 1939년 로렌스 버클리 국립 연구소의 Luis W. Alvarez와 Robert Cornog에 의해 입증되었습니다 . 다른 7개의 매우 불안정한 동위 원소가 알려져 있습니다. 예를 들어, 헬륨 -9의 반감기는 7 zeptoseconds 또는 7 sextillionths of a second입니다.
헬륨은 알려진 가스의 물에 대한 용해도가 가장 낮고 주기율표에있는 모든 원소의 융점이 가장 낮습니다. 사실, 그것은 거의 절대 0에 가까운 형태로 액체 상태로 남아 있기 때문에 단순히 온도를 낮춰서 효과적으로 응고 될 수없는 유일한 원소입니다. 그 온도에 가까워지면 헬륨은 1937년 러시아 물리학자 표트르 카피 차와 존 F. 앨런이 처음 발견 한 양자 상태 인 초 유체를 형성합니다. 점도나 엔트로피가 거의 제로에 가까운 유체는 초전도성을 나타내며 용기 벽 위로 흘러 올라갈 수 있습니다. 중력과 표면 장력의 법칙을 무시하고 일반적으로 가스가 투과 할 수 없는 나노 크기의 구멍을 통과 할 수 있습니다. 0.95K에서 헬륨은 25 기압의 압력을 가함으로써 소위 초고체 또는 양자 고체로 변환 될 수 있습니다. 실온에서 동일한 결과를 얻으려면 114,000 기압의 압력이 필요합니다. 이는 해저의 가장 깊은 지점에서 경험하는 압력보다 100 배 이상 더 높습니다. 고체 헬륨의 비정상적인 결정 구조는 높은 압축성 및 가역성 가소성과 같은 특성을 부여하는 내부 마찰없는 원자 흐름을 나타냅니다.
주로 천연 가스 에서 매년 상업적 소비를 위해 수십억 입방 피트의 헬륨이 생산됩니다. 텍사스 주 애머릴로와 미국 중부 캔자스 주 휴고 톤 사이의 우물. 헬륨은 천연 가스 퇴적물의 최대 7%를 차지하며 분별 증류 과정을 통해 메탄 및 기타 오염 물질로부터 분리 될 수 있습니다. 액체 및 기체 헬륨은 모두 상업 영역에서 역할을 합니다. 헬륨은 1913년 네덜란드의 물리학자인 Heike Kamerlingh Onnes에 의해 처음 액화되어 그에게 노벨상을 수상했으며 현재 헬륨의 상업적 사용 중 약 25%는 극저온 냉동을 위한 액체 형태입니다. 헬륨은 매우 낮은 온도에서도 액체 형태로 남아 있기 때문에 자기 공명 영상 (MRI)에 사용되는 고출력 자석과 CERN의 대형 강 입자 충돌기 (Large Hadron Collider)와 같은 대형 입자 가속기의 초전도 전선을 냉각하는 데 사용됩니다. 또한 중성자에 대한 투명성과 높은 열전도율 덕분에 가스 냉각 원자로의 열전달 매체 역할도합니다. 공기 중에 부력이있는 헬륨 가스는 20 세기 초부터 벌룬에 널리 사용되어 왔으며, 결국 후자의 극심한 가연성으로 인해 수소를 대체했습니다 (악명 높은 1937 년 Hindenburg 비행선 재해에서 입증 됨). 최초의 가스 레이저는 헬륨과 네온 의 조합을 사용했으며 스쿠버 다이버의 에어 탱크는 헬륨의 낮은 혈액 용해도로 인한 감압병을 예방하기 위해 질소 대신 헬륨을 대체했습니다 . 헬륨은 가스 크로마토 그래피, 헬륨 질량 분석기를 사용한 산업용 가스 누출 감지, 토륨 및 우라늄 의 지질 학적 연대 측정에 적용됩니다.-함유 암석.
지금까지 헬륨 가스의 가장 눈에 띄는 상업적 용도는 특히 고순도 실리콘 및 게르마늄 단결정의 성장 중에 아크 용접 및 반도체 부품 제조를 위한 불활성 분위기를 제공하는 것 입니다. 헬륨에 대한 첨단 기술의 다른 새로운 역할에는 실리콘 기반 트랜지스터보다 높은 온도에서 작동 할 수있는 플라즈마 트랜지스터의 플라즈마 소스 역할을하는 양자 초 유체 및 초 고체의 특성에 대한 추가 조사 허용, 헬륨 -3의 융합으로 인한 로켓 추진이 포함됩니다. 중수소를 사용하고 의료 영상 및 재료 분석을 위해 스핀 편광 헬륨 -3 빔을 사용합니다.