과학자들은 우주에서 가장 풍부한 원소가 수소와 헬륨과 같은 단순한 기체라는 것을 얼마 동안 이해해 왔습니다. 이것들은 관측 가능한 질량의 대다수를 구성하며, 결합된 모든 무거운 원소를 왜소화합니다(그리고 넓은 차이로). 그리고 그 둘 사이에서 헬륨은 두 번째로 가볍고 두 번째로 풍부한 원소로 관측 가능한 우주 원소 질량의 약 24%에 존재합니다.
우리는 헬륨을 목소리에 이상한 일을 하고 풍선을 뜨게 하는 유쾌한 가스로 생각하는 경향이 있지만 실제로는 우리 존재의 중요한 부분입니다. 헬륨은 별의 주요 구성 요소일 뿐만 아니라 거대 가스의 주요 구성 요소이기도 합니다. 이것은 부분적으로 매우 높은 핵 결합 에너지와 핵융합 및 방사성 붕괴에 의해 생성된다는 사실 때문입니다. 그러나 과학자들은 19세기 후반 이후로야 그 존재를 인식했습니다.
검색 및 이름 지정:
헬륨의 첫 번째 증거는 1868년 8월 18일 프랑스 천문학자 Jules Janssen에 의해 얻어졌습니다. 인도 군투르에 있는 동안 Janssen은 프리즘을 통해 일식을 관찰했고, 그 결과 태양의 채층에서 나오는 밝은 노란색 스펙트럼 라인(587.49나노미터)을 발견했습니다. 당시 그는 그것이 D1과 D2에 가깝기 때문에 그것이 나트륨이라고 믿었습니다. 프라운호퍼 라인 .
프라운호퍼 선은 다양한 화학 원소에 해당하는 스펙트럼의 어두운 흡수선입니다. 크레딧: eventbrite.com
같은 해 10월 20일 영국의 천문학자 Norman Lockyer는 태양 스펙트럼에서 노란색 선을 관찰했습니다.삼Fraunhofer 선) 그가 결론 지은 태양의 알려지지 않은 요소에 의해 발생했습니다. Lockyer와 영국 화학자 Edward Frankland는 원소 이름을 지정했습니다.헬리오스, 태양에 대한 그리스어 단어 뒤에 있습니다.
형질:
헬륨은 원자 모델에 있어서 수소 다음으로 두 번째로 단순한 원자입니다. 그것은 두 개의 양성자와 중성자의 핵과 원자 궤도에 있는 두 개의 전자로 구성됩니다. 가장 흔한 형태는 빅뱅 핵합성의 산물로 여겨지는 헬륨-4입니다. 빅뱅 이후 10초에서 20분 동안 지속된 이 사건은 가장 가벼운 수소 동위원소(즉, 하나의 양성자와 핵을 가진 수소-1)가 아닌 다른 핵이 생성되는 것이 특징이다.
이 사건은 소량의 수소, 헬륨 및 리튬 동위원소와 함께 대부분의 헬륨-4를 생성한 것으로 믿어집니다. 다른 모든 무거운 원소는 항성 핵합성의 결과로 훨씬 나중에 생성되었습니다. 이와 같은 과정을 통해 새로운 헬륨이 계속 생성되고 있으며, 항성 중심의 열과 압력으로 인해 수소 원자가 융합됩니다.
헬륨 원자의 원자 구조에 대한 묘사. 크레딧: 위키피디아 커먼즈
헬륨-4 원자의 핵은 알파 붕괴(원소가 붕괴하여 질량을 방출하고 다른 것이 되는) 과정에서 생성되는 알파 입자, 두 개의 결합된 양성자 및 중성자와 동일합니다. 헬륨의 불활성은 모든 전자가 쌍으로 1s 오비탈을 완전히 점유하는 전자 구름 상태의 안정성과 낮은 에너지로 인한 것이며, 어느 누구도 각운동량을 소유하지 않고 각각은 상대방의 고유 스핀을 취소합니다.
이 안정성은 또한 헬륨 원자가 서로 상호 작용하지 않는 것을 설명하며, 이는 모든 원소 중 가장 낮은 녹는점과 끓는점 중 하나로 이어집니다.
사용 기록:
한동안 헬륨은 태양에만 존재한다고 믿어졌습니다. 그러나 1882년 이탈리아 물리학자 루이지 팔미에리는 그 해에 폭발한 베수비오 산의 용암을 분석할 때 지구에서 헬륨을 발견했습니다. 그리고 1895년에 아르곤을 찾는 동안 스코틀랜드의 화학자 William Ramsay 경은 클레이타이트 샘플을 무기산으로 처리하여 헬륨을 분리하는 데 성공했습니다. 원소를 황산으로 처리한 후, 그는 동일한 D3 흡수선을 발견했습니다.
Ramsey는 가스 샘플을 William Crookes 경과 Norman Lockyer 경에게 보냈고 그들은 이것이 헬륨임을 확인했습니다. 같은 해 스웨덴 웁살라의 화학자 Per Teodor Cleve와 Abraham Langlet에 의해 cleveite에서 독립적으로 분리되었으며, 이들은 원자량을 정확하게 결정할 수 있었습니다. 다음 몇 년 동안 유사한 실험이 동일한 결과를 낳았습니다.
헬륨 원자의 3D 개략도. 크레딧: Wikipedia Commons/BruceBlaus
그 후 몇 년 동안 헬륨의 몇 가지 흥미로운 특성이 발견되었습니다. 1907년 Ernest Rutherford와 Thomas Royds는 알파 입자가 실제로 헬륨 핵임을 증명했습니다. 1908년에 헬륨은 네덜란드 물리학자인 Heike Kamerlingh Onnes에 의해 가스를 1켈빈 미만으로 냉각시켜 처음으로 액화되었습니다. 이 원소는 1926년 그의 제자인 빌렘 헨드릭 키솜(Willem Hendrik Keesom)에 의해 결국 고체화되었는데, 그는 원소를 25기압의 압력에 노출시켰습니다.
헬륨은 초유동성을 갖는 것으로 밝혀진 최초의 원소 중 하나였습니다. 1938년 러시아 물리학자 표트르 레오니도비치 카피차(Pyotr Leonidovich Kapitsa)는 헬륨-4가 절대 영도(초유동성)에 가까운 온도에서 거의 점도가 없다는 것을 발견했습니다. 1972년에 미국 물리학자 Douglas D. Osheroff, David M. Lee, Robert C. Richardson에 의해 헬륨-3에서도 같은 현상이 관찰되었습니다.
현대 용도:
오늘날 헬륨 가스는 산업, 상업 및 레크리에이션 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 가장 잘 알려진 것은 아마도 헬륨 가스(공기보다 가벼움)가 자연적으로 비행선과 풍선에 부력을 제공하는 비행일 것입니다. 비행선에도 사용된 수소와 비교하여 헬륨은 불연성 및 난연성이라는 추가 이점이 있습니다.
낮은 끓는점, 낮은 밀도, 낮은 용해도, 높은 열전도도 및 불활성을 포함하는 고유한 특성으로 인해 헬륨은 광범위한 과학 및 의료 응용 분야에 사용됩니다. 액체 헬륨이 MRI 스캐너 및 분광계에서 초전도 자석의 냉각제 역할을 하는 극저온 응용 분야에서 가장 많이 사용됩니다.
CERN의 대형 강입자 충돌기. 크레딧: CERN/LHC
또 다른 용도는 헬륨이 저장 탱크의 연료와 산화제를 대체하는 완충제로 사용되는 로켓에 있습니다. 또한 수소와 산소를 로켓 연료로 응축하고 우주선에서 액체 수소를 예냉하는 데 사용됩니다. NS 대형 강입자 충돌기 CERN은 또한 액체 헬륨을 사용하여 1.9 켈빈의 일정한 온도를 유지합니다.
매우 낮은 굴절률과 온도 변화의 왜곡 효과를 줄이는 방식 덕분에 헬륨은 태양 망원경, 가스 크로마토그래피 및 '헬륨 연대 측정'에도 사용됩니다. 즉, 방사성 물질(예: 우라늄과 토륨). 불활성, 열적 특성, 높은 음속, 높은 열용량비 외에도 초음속 풍동 및 공기역학 시험 시설에서도 사용됩니다. 아크 용접 및 산업용 누출 감지에도 사용됩니다.
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Astronomy Cast는 또한 주제에 대한 좋은 에피소드를 가지고 있습니다. 139화: 에너지 준위와 스펙트럼 .