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헬륨

Helium
이 기사는 화학 원소에 관한 것이다.기타 용도는 헬륨(동음이의)을 참조하십시오.
헬륨, He
Helium discharge tube.jpg
헬륨
발음/hi-li-m/ (HEE-lee-Ωm)
외모전기장에 놓였을 때 회색, 흐린 빛을 나타내는 무색의 가스(또는 특히 고전압을 사용하는 경우에는 붉은 빛을 띤다.
표준 원자량Ar°(He)
  • 4.002602±0.000002
  • 4.0026±0.0001(요약)[1]
주기율표의 헬륨
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 카본 질소 산소 불소 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브롬 크립톤
루비듐 스트론튬 이트륨 지르코늄 니오브 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 실버 카드뮴 인듐 주석 안티몬 텔루루 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마리움 유로피움 가돌리늄 터비움 디스프로슘 홀뮴 엘비움 툴륨 이터비움 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 플래티넘 골드 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로탁티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 퀴륨 베르켈륨 칼리포늄 아인스타이늄 페르미움 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 러더포디움 두브늄 시보르기움 보리움 하시움 마이트네리움 다름슈타디움 뢴트제늄 코페르니슘 니혼리움 플레로비움 모스코비움 리버모리움 테네신 오가네손
–
↑
그
↓
네
수소 ← 헬륨 → 리튬
원자 번호 (Z)2
그룹.소분류 18(유도 가스)
기간기간 1
블록 s블록
전자 구성1s2
셸당 전자 수2
물리 속성
단계 STP에서가스
녹는점0.95 K (-272.20 °C, -457.96 °F) (2.5 MPa에서)
비등점4.222K(-268.928°C, -452.070°F)
밀도 (STP에서)0.1786 g/L
액상일 때(로)0.140g/cm3
액상일 때(로)0.125g/cm3
트리플 포인트2.177K, 5.043kPa
임계점5.1953 K, 0.22746 MPa
융해열0.0138 kJ/mol
기화열0.0829 kJ/mol
몰 열용량20.78 J/(mol·K)[2]
증기압(ITS-90으로 정의)
P (Pa) 1 10 100 1k 10k 100k
(K)에서 1.23 1.67 2.48 4.21
원자 특성
산화 상태0
전기 음성도폴링 스케일: 데이터 없음
이온화 에너지
  • 첫 번째: 2372.3 kJ/mol
  • 두 번째: 5250.5kJ/mol
공유 반지름오후 28시
반데르발스 반지름오후 140시
Color lines in a spectral range
헬륨 스펙트럼선
기타 속성
자연발생원시적인
결정 구조 육각형 밀착형(hcp)
Hexagonal close-packed crystal structure for helium
음속972 m/s
열전도율0.1513 W/(mµK)
자기 순서반자성[3]
몰 자화율- 1.88×10cm−63/mol (298K)[4]
CAS 번호7440-59-7
역사
명명그리스의 태양신 헬리오스 다음으로
검출피에르 얀센, 노먼 로키어(1868)
첫 번째 분리윌리엄 램지, Per Teodor Cleve, 아브라함 랭글렛(1895)
헬륨의 주요 동위원소
이소토페 아부노댄스 반감기 (t1/2) 붕괴 모드 프로덕트
3그는 0.0002% 안정적인.
4그는 99.9998% 안정적인.
카테고리:헬륨
레퍼런스

헬륨(그리스어: λοςςς, 로마자: helios, light. '태양')은 기호가 He이고 원자 번호는 2인 화학 원소이다.이것은 무색, 무취, 무미, 무독성, 불활성, 단원자 기체이며 [a]주기율표에서 귀가스군 중 첫 번째 기체이다.그것의 끓는점과 녹는점은 모든 원소 중에서 가장 낮다.그것은 관측 가능한 우주에서 두 번째로 가볍고 두 번째로 풍부한 원소이다.이것은 전체 원소 질량의 약 24%에 존재하며, 이는 모든 무거운 원소들을 합친 질량의 12배 이상이다.헬륨-4의 핵결합 에너지가 매우 높기 때문에 헬륨 다음으로 세 가지 원소에 대한 존재감은 태양과 목성의 그것과 유사하다.이 헬륨-4 결합 에너지는 또한 핵융합과 방사능 붕괴의 산물인 이유를 설명한다.우주의 대부분의 헬륨은 헬륨-4이며, 그 대부분은 빅뱅 때 형성되었다.많은 양의 새로운 헬륨이 별에서 수소의 핵융합에 의해 생성된다.

헬륨은 1868년 일식 동안 태양빛에서 알려지지 않은 노란색 스펙트럼 선으로 처음 발견되었고, C 선장 조르주 레이에 [11]의해 발견되었습니다.T. 헤이그,[12] 노먼 R. 포그송과 [13]존 허셜 [14]중위는 프랑스 천문학자 쥘 [15]얀센에 의해 확인되었습니다.얀센은 종종 노먼 록키어와 함께 이 원소를 발견한 것으로 알려져 있다.얀센은 1868년 일식 때 헬륨 스펙트럼선을 기록했고, 로키어는 영국에서 이를 관측했다.Lockyer는 이 선이 그가 이름을 붙인 새로운 요소 때문이라고 제안한 첫 번째 사람이었다.이 원소의 공식적인 발견은 1895년 화학자 윌리엄 램지 경, 페르 테오도르 클레브, 닐스 에이브러햄 랭글렛에 의해 이루어졌는데, 그는 현재 별도의 광물 종으로 간주되지 않고 다양한 우라니이트로 [16][17]간주되는 우라늄 광석인 클리브라이트로부터 헬륨이 나오는 것을 발견했다.1903년, 오늘날 가장 큰 가스 공급원인 미국 일부 지역의 천연 가스전에서 대량의 헬륨 매장량이 발견되었다.

액체 헬륨은 저온학(단일 최대 사용, 생산량의 1/4을 흡수)과 초전도 자석의 냉각에 사용되며, MRI 스캐너에 주로 상업적으로 사용됩니다.헬륨의 다른 산업 용도는 가압 및 퍼지 가스, 아크 용접을 위한 보호 분위기, 실리콘 웨이퍼를 만들기 위한 결정 성장 등의 공정에서 생산되는 가스의 절반을 차지합니다.잘 알려져 있지만 경미한 용도는 풍선과 [18]비행선의 리프팅 가스입니다.공기와 밀도가 다른 모든 가스와 마찬가지로, 적은 양의 헬륨을 흡입하면 일시적으로 사람의 음색과 음질이 변합니다.과학 연구에서, 헬륨-4의 두 유체상(헬륨 I과 헬륨 II)의 행동은 양자역학을 연구하는 연구원들과 절대 0에 가까운 물질에서 생성된 초전도 같은 현상을 보는 사람들에게 중요하다.

지구에서는 대기 중 부피 기준 5.2ppm으로 비교적 드물다.오늘날 존재하는 대부분의 지상 헬륨은 무거운 방사성 원소(토륨과 우라늄, 다른 예도 있지만)의 자연적인 방사성 붕괴에 의해 생성되는데, 이러한 붕괴에 의해 방출되는 알파 입자는 헬륨-4 핵으로 구성되어 있기 때문이다.이 방사성 헬륨은 부피 기준 7%의 농도로 천연가스와 함께 갇혀 있으며, 이 과정에서 분열 증류라는 저온 분리 과정을 통해 상업적으로 추출된다.지구형 헬륨은 대기 중으로 방출되면 즉시 우주로 빠져나가기 때문에 재생 불가능한 자원이다.그것의 공급은 급속히 [19][20]감소하고 있는 것으로 생각된다.그러나 일부 연구에 따르면 방사능 붕괴에 의해 지구 깊은 곳에서 생성된 헬륨은 [22]화산 활동에 의해 방출된 예상보다 [21]많은 양의 천연가스 매장량을 모을 수 있다.

역사

과학적 발견

헬륨의 첫 번째 증거는 1868년 8월 18일 태양의 채층 스펙트럼에서 587.49나노미터의 파장을 가진 밝은 노란색 선으로 관측되었다.이 선은 프랑스 천문학자 쥘 얀센이 인도 [23][24]군투르에서 개기일식을 하는 동안 발견했다.이 라인은 처음에 나트륨으로 가정되었다.같은 해 10월 20일, 영국의 천문학자 노먼 로키어는 태양 스펙트럼에서 노란색 선을 관측했는데,[25][26] 그는 그것이 알려진1 나트륨의 D와2 D 프라운호퍼 선 근처에 있었기 때문에 D라는3 이름을 붙였다.그는 그것이 지구상에 알려지지 않은 태양의 원소에 의해 발생했다고 결론지었다.록키어와 영국의 화학자 에드워드 프랭클랜드는 이 원소를 태양을 뜻하는 그리스어로 λιςςςςςςhe(헬리오스)[27][28]라고 명명했다.

Picture of visible spectrum with superimposed sharp yellow and blue and violet lines
헬륨 스펙트럼선

1881년 이탈리아 물리학자 루이지 팔미에리는 최근 베수비오 [29]화산 폭발 당시 승화된 물질을 분석하면서 D 스펙트럼3 라인을 통해 지구상의 헬륨을 처음으로 발견했다.

지구 헬륨의 발견자인 윌리엄 램지 경
램지가 최초로 헬륨을 정제했던[30] 클리바이트 샘플

1895년 3월 26일, 스코틀랜드의 화학자 윌리엄 램지는 광물 클리바이트(최소 10% 희토류 원소를 가진 다양한 우라니네이트)를 광물산으로 처리하여 지구상의 헬륨을 분리했다.람세이는 아르곤을 찾고 있었지만 가스에서 질소와 산소를 분리해 [26][31][32][33]황산에 의해 방출된 후 태양의 스펙트럼에서 관측된 D선과3 일치하는 밝은 노란색 선을 발견했다.이 샘플들은 록키어와 영국 물리학자 윌리엄 [34][35]크룩스에 의해 헬륨으로 확인되었다.같은 해 스웨덴의 웁살라에 있는 화학자 페르 테오도르 클레브와 아브라함 랭글렛에 의해 클레이라이트로부터 분리되었다. 그는 정확히 원자량을 [36][37][24][38]측정하기에 충분한 가스를 모았다.헬륨은 또한 램지가 발견되기 전에 미국의 지구 화학자인 윌리엄 프란시스 힐브랜드에 의해 분리되었는데, 그는 우라늄산염의 샘플을 테스트하는 동안 특이한 스펙트럼 라인을 발견했다.그러나 힐브란드는 이 선들이 [39]질소 때문이라고 말했다.그가 램지에게 보낸 축하 편지는 [40]과학에서 흥미로운 발견, 그리고 거의 발견에 가까운 사례를 제공한다.

1907년, 어니스트 러더포드와 토마스 로이즈(Thomas Roys)는 알파 입자가 진공관의 얇은 유리벽에 침투하도록 한 후 튜브에 방전을 만들어 내부의 [41]새로운 가스의 스펙트럼을 연구함으로써 헬륨 핵이라는 것을 증명했다.1908년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메르링 오네스가 가스를 5K(-268.15°C; -450.67°[42][43]F) 미만으로 냉각시켜 헬륨을 처음 액화시켰다.그는 온도를 더 낮추어 굳히려고 했지만 헬륨은 대기압에서 굳지 않기 때문에 실패했다.오네스의 제자인 윌렘 헨드릭 키솜은 1926년 추가적인 [44][45]외압을 가함으로써 결국 1cm의3 헬륨을 굳힐 수 있었다.

1913년 닐스 보어는 원자구조에 대한 그의 "삼원학"[46][47]을 발표했는데,[48][49] 여기에는 그의 원자 모델을 뒷받침하는 핵심 증거로서 피커링-파울러 급수에 대한 재고도 포함되어 있다.이 시리즈의 이름은 에드워드 찰스 피커링(Edward Charles Pickering)이 1896년에 별 δ[50] 꼭두각시자리 스펙트럼에서 이전에 알려지지 않았던 선들을 관측한 것을 발표하면서 붙여졌습니다(이러한 선들은 현재 울프-레이엣과 다른 뜨거운 [51]별들과 함께 발생하는 것으로 알려져 있습니다).피커링은 관찰 결과(4551, 5411, 10123Ω의 선)가 반정수 전이 [52][53]레벨을 가진 새로운 형태의 수소에 기인한다고 설명했다.1912년 알프레드 파울러는[54] 수소-헬륨 혼합물에서 유사한 라인을 만들어냈고, 그 [55]기원에 대한 피커링의 결론을 뒷받침했다.보어의 모형은 (양자역학도 마찬가지) 반정수 전이를 허용하지 않았고, 보어는 피커링과 파울러가 틀렸다고 결론지었고, 대신 이 스펙트럼선을 이온화 헬륨인+ [56]He에 할당했다.파울러는 처음에는[57] 회의적이었지만, 궁극적으로[58] 보어가 [46]옳았다고 확신했고, 1915년에 이르러서는 "스펙토스코프 과학자들은 [피커링-파워러 시리즈]를 확실히 [수소에서][49][59] 헬륨으로 옮겼다."피커링 시리즈에 대한 보어의 이론적 연구는 "고전 이론 내에서 이미 해결된 것으로 보이는 문제들에 대한 재검증"의 필요성을 증명했고 그의 원자론에 [49]중요한 확인을 제공했다.

1938년, 러시아의 물리학자 표트르 레오니도비치 카피사는 헬륨-4가 절대 0에 가까운 온도에서 점도가 거의 없다는 것을 발견했는데, 이 현상은 현재 [60]초유체성이라고 불린다.이 현상은 보스-아인슈타인 응축과 관련이 있다.1972년 미국 물리학자 더글라스 D에 의해 헬륨-3에서도 같은 현상이 관찰되었지만 절대 영도에 훨씬 가까운 온도에서 관찰되었다. 오쉬로프, 데이비드 M. 리, 그리고 로버트 C. 리처드슨입니다헬륨-3의 현상은 초전도성을 생성하는 쿠퍼 전자의 쌍과 유사하게 보손을 만들기 위한 헬륨-3 페르미온의 쌍과 관련이 [61]있는 것으로 생각된다.

추출 및 사용

캔자스 덱스터 근처에서 발견된 거대한 헬륨을 나타내는 역사적 표식

1903년 캔자스 주 덱스터에서 석유 시추 작업을 한 후, 캔자스 주 지질학자 에라스무스 하워스는 탈출하는 가스의 샘플을 수집하여 로렌스에 있는 캔자스 대학으로 가져갔는데, 그곳에서 해밀턴 캐디와 데이비드 맥팔랜드의 도움으로, 그는 가스가 v-farland에 의해 구성된다는 것을 발견했다.올룸, 질소 72%, 메탄 15%(충분한 산소만으로 가연성 백분율), 수소 1% 및 식별할 [24][62]수 없는 가스 12%입니다.추가 분석 결과, Cady와 McFarland는 가스 샘플의 1.84%가 [63][64]헬륨이라는 것을 발견했습니다.이것은 지구에서는 전반적으로 희귀함에도 불구하고, 헬륨은 천연 [65]가스의 부산물로 추출할 수 있는 미국 대평원 아래에 다량 농축되어 있다는 것을 보여주었다.

이것은 미국이 세계 최고의 헬륨 공급국이 될 수 있게 되었다.리차드 트렐팔 경의 제안에 따라, 미 해군은 제1차 세계대전 동안 세 개의 작은 실험용 헬륨 발전소를 후원했다.목표는 공기보다 가벼운 불연성 가스를 탄막 풍선에 공급하는 것이었다.이 프로그램에서는 총 5,700m3(200,000cuft)의 92%의 헬륨이 생성되었는데, 이는 이전에 입방미터 미만의 가스를 [26]얻었음에도 불구하고 발생한 것입니다.어떤 이 가스의 거의 2년 전 해군 최초의 엄격한 헬륨 비행선, 항공기 Factory-built USSBlueRidge, 날아가는 햄프턴 수도:미국 Virginia주 동남부 버지니아 주에서 볼링 현장 워싱턴 DC에서 12월 1일 1921,[66]에 대한 처녀 항해는 세계 최초의 헬륨 비행선, 미국 해군의 C-class 비행선 측면 C-7에 사용되었다.에서1923년 9월

제1차 세계 대전 중에는 저온 가스 액상화를 이용한 추출 공정이 제때 개발되지 않았지만, 생산은 계속되었다.헬륨은 주로 공기보다 가벼운 비행기에서 리프팅 가스로 사용되었습니다.제2차 세계 대전 동안, 헬륨에 대한 수요는 상승 가스와 차폐 아크 용접에 증가했습니다.헬륨 질량 분석기는 또한 맨해튼 [67]원폭 프로젝트에서도 매우 중요했다.

미국 정부는 전쟁시에는 군용 비행선을, [26]평시에는 상업용 비행선을 공급하는 것을 목표로 1925년 텍사스주 아마릴로에 국립 헬륨 비축소를 설치했다.1925년 헬륨법(Helium Act of 1925)으로 미국이 독점 생산하던 희소한 헬륨의 수출을 금지하고 가스의 엄청난 비용과 함께 힌덴부르크는 모든 독일 제플린과 마찬가지로 수소를 리프트 가스로 사용해야 했다.제2차 세계대전 후 헬륨 시장은 침체되었지만 1950년대에 매장량이 확대되어 우주 경쟁과 냉전 기간 동안 산소/수소 로켓 연료를 만들기 위한 냉각수로 액체 헬륨을 공급하게 되었다.1965년 미국의 헬륨 사용량은 전시 최대 [68]소비량의 8배 이상이었다.

"1960년 헬륨법 개정"(공법 86–777) 이후, 미국 광산국은 천연가스로부터 헬륨을 회수하기 위해 5개의 민간 발전소를 마련했습니다.이 헬륨 보존 프로그램을 위해, Bureau는 캔자스주 Bushton에서 425마일 (684km)의 송유관을 건설하여, 그 발전소들을 텍사스주 Amarillo 근처에 있는 정부의 부분적으로 고갈된 Cliffside 가스전과 연결시켰다.이 헬륨-질소 혼합물은 필요할 때까지 클리프사이드 가스전에 주입되어 저장되었고, 그 때 더 [69]정제되었다.

1995년까지, 10억 입방미터의 가스가 수집되었고, 예비금은 14억 달러의 부채가 있었고, 1996년 미국 의회는 [24][70]예비금을 단계적으로 폐지했다.1996년 헬륨[71] 민영화법(공법 104-273년)은 미국 내무부에 매장량을 비우도록 지시했으며 2005년부터 [72]판매가 시작되었다.

1930년에서 1945년 사이에 생산된 헬륨은 순도 약 98.3%(2% 질소)로 비행선에 적합했다.1945년에는 소량의 99.9%의 헬륨이 용접용으로 생산되었습니다.1949년에는 99.95%의 헬륨이 [73]상용화되었습니다.

수년간 미국은 상업적으로 이용 가능한 헬륨의 90% 이상을 생산했고 캐나다, 폴란드, 러시아 및 기타 국가의 추출 공장은 나머지를 생산했습니다.1990년대 중반, 알제리 아르쥬에 있는 1700만 입방 미터(6억 입방 피트)를 생산하는 새로운 공장이 가동되기 시작했고, 유럽의 모든 수요를 충족시킬 수 있는 충분한 생산량을 갖추었습니다.한편 2000년까지 미국 [74]내 헬륨 소비량은 연간 1500만 kg 이상으로 증가했다.2004-2006년에는 카타르의 라스 라판과 알제리의 스키다에 추가 공장이 건설되었다.알제리는 빠르게 헬륨의 [75]두 번째 주요 생산국이 되었다.이 기간 동안 헬륨 소비와 헬륨 생산 비용이 모두 [76]증가했습니다.2002년부터 2007년까지 헬륨 가격은 [77]두 배로 뛰었다.

2012년 현재, 미국 국립 헬륨 매장량은 세계 [78]헬륨의 30%를 차지하고 있다.이 보호구역은 2018년에 [78]헬륨이 고갈될 것으로 예상되었다.그럼에도 불구하고, 미국 상원에서 발의된 법안은 예비군이 가스를 계속 판매할 수 있도록 허용할 것이다.다른 대규모 매장량은 미국 캔자스의 휴고톤과 캔자스의 인근 가스전, 텍사스와 오클라호마의 팬핸들 지역에 있었다.2012년 카타르, 러시아, 미국 와이오밍 주에 새로운 헬륨 발전소가 문을 열 예정이었지만,[78] 부족 현상을 완화시키지는 못할 것으로 예상되었다.

카타르는 2017년 카타르 외교위기로 [80]헬륨 생산에 심각한 영향을 미쳤지만 2013년 세계 최대 규모의 헬륨 [79]유닛을 설립했습니다.2014년은 헬륨 사업의 공급 과잉으로 유명했던 [81]해로 널리 인식되고 있습니다.나스닥은 산업용 가스를 판매하는 국제법인 에어프로덕트의 경우 공급원료 공급 [82]제한으로 헬륨량이 경제적 압박을 받고 있다고(2015년) 보도했다.

특성.

헬륨 원자

주요 기사:헬륨 원자
Picture of a diffuse gray sphere with grayscale density decreasing from the center. Length scale about 1 Angstrom. An inset outlines the structure of the core, with two red and two blue atoms at the length scale of 1 femtometer.
헬륨 원자.핵(분홍색)과 전자 구름 분포(검은색)가 표시되어 있습니다.헬륨-4의 핵(오른쪽 위)은 실제로는 구면적으로 대칭이며 전자 구름과 매우 유사하지만, 더 복잡한 핵의 경우 항상 그렇지는 않습니다.

양자역학에서의 헬륨

양자역학의 관점에서, 헬륨은 수소 원자 다음으로 모델링하기 두 번째로 간단한 원자이다.헬륨은 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 포함하는 핵을 둘러싼 원자 궤도에 있는 두 개의 전자로 구성됩니다.뉴턴 역학에서와 같이, 세 개 이상의 입자로 구성된 어떤 시스템도 정확한 분석적 수학적 접근법(3-체 문제 참조)으로 풀 수 없으며 헬륨도 예외는 아니다.따라서, 심지어 하나의 핵과 두 개의 전자의 체계를 풀기 위해서도 수치적인 수학적 방법이 필요하다.이러한 계산 화학 방법은 몇 가지 계산 [83]단계에서 정확한 값의 2% 미만으로 정확한 헬륨 전자 결합의 양자 역학적 그림을 만들기 위해 사용되어 왔다.이러한 모델은 헬륨 내의 각 전자가 부분적으로 서로 핵을 차단하므로, 각 전자가 보는 유효 핵 전하 Z는 고전적인 "나체" 헬륨 핵의 두 전하가 아니라 약 1.69 단위이다.

헬륨-4 핵과 전자껍질의 관련 안정성

헬륨-4 원자의 핵은 알파 입자와 동일하다.고에너지 전자 산란 실험은 헬륨 자체의 전자 구름의 전하 밀도와 똑같이 중심점의 최대치에서 기하급수적으로 전하가 감소한다는 것을 보여줍니다.이 대칭은 유사한 기초 물리학을 반영합니다: 헬륨의 핵에 있는 중성자 쌍과 양성자 쌍은 헬륨의 전자 쌍과 같은 양자 역학적 법칙을 따릅니다 (비록 핵 입자는 다른 핵 결합 전위를 가지고 있지만), 그래서 이 모든 페르미온이 쌍으로 1s 궤도를 완전히 차지하지만, 그것들 중 어느 것도 없습니다.궤도 각운동량을 가지며, 각각은 서로의 고유 스핀을 상쇄한다.이 입자들 중 하나를 더하는 것은 각운동량을 필요로 하고 상당히 적은 에너지를 방출할 것이다(사실, 5개의 핵자를 가진 핵은 안정적이지 않다).따라서 이러한 배열은 모든 입자에 대해 에너지적으로 매우 안정적이며, 이러한 안정성은 자연에서 헬륨에 관한 많은 중요한 사실들을 설명해줍니다.

예를 들어, 헬륨에서 전자 구름 상태의 안정성과 낮은 에너지는 원소의 화학적 불활성성을 설명하며, 또한 헬륨 원자가 서로 상호작용하지 않아 모든 원소 중 가장 낮은 용해점과 끓는점을 생성합니다.

비슷한 방법으로, 유사한 효과로 생성된 헬륨-4 핵의 특정한 에너지 안정성은 중입자 방출 또는 핵융합을 수반하는 원자 반응에서 헬륨-4 생산의 용이성을 설명한다.안정적인 헬륨-3(양자 2개, 중성자 1개)은 수소의 핵융합 반응에서 생성되지만, 매우 유리한 헬륨-4에 비하면 매우 작은 비율이다.

일반적인 동위원소의 핵자당 결합 에너지.헬륨-4의 입자당 결합 에너지는 근처의 모든 핵종보다 상당히 큽니다.

헬륨-4 핵의 특이한 안정성은 우주론적으로도 중요하다: 그것은 빅뱅 이후 몇 분 동안, 핵 결합이 가능할 정도로 처음에는 약 6:1 비율로 생성되었던 자유 양성자와 중성자의 "수프"로서 거의 모든 최초의 복합 원자핵이 w를 형성했다는 사실을 설명한다.헬륨-4 원자핵입니다.헬륨-4의 결합은 매우 단단해서 헬륨-4는 베타 붕괴되기 전에 몇 분 안에 거의 모든 자유 중성자를 소비했고 리튬, 베릴륨, 붕소와 같은 무거운 원자를 형성할 수 있는 물질도 거의 남아 있지 않았다.핵자당 헬륨-4 핵 결합은 이러한 요소들 중 어느 것 보다도 강하기 때문에(핵생성과 결합 에너지 참조), 헬륨이 형성되면, 원소 3, 4, 5를 만들 수 있는 에너지 구동력이 없었다.헬륨이 핵자당 낮은 에너지로 다음 원소인 탄소에 융합하는 것은 에너지적으로 거의 유리하지 않았다.그러나 중간 원소의 부족으로 인해 이 과정에서는 세 개의 헬륨 핵이 거의 동시에 서로 충돌해야 합니다(트리플 알파 과정 참조).따라서 빅뱅 이후 몇 분 동안 중요한 탄소가 형성될 시간이 없었다. 그 후 초기 팽창 우주가 온도와 압력점으로 냉각되어 헬륨에서 탄소로의 융합이 더 이상 가능하지 않았다.이것은 초기 우주의 수소/헬륨 비율을 오늘날 관측된 것과 매우 비슷하게 만들었습니다(질량 기준 3부분 수소와 1부분 헬륨-4). 우주의 거의 모든 중성자가 헬륨-4에 갇혔습니다.

모든 무거운 원소들(지구와 같은 암석행성과 탄소 기반 또는 다른 생명체에 필요한 원소들 포함)은 빅뱅 이후 헬륨 자체를 융합하기에 충분히 뜨거웠던 별들에서 생성되었습니다.오늘날 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소는 우주의 원자 물질 질량의 2%만을 차지한다.반면 헬륨-4는 수소가 아닌 거의 모든 일반 물질인 우주 일반 물질의 약 23%를 차지한다.

가스 및 플라즈마상

Illuminated light red gas discharge tubes shaped as letters H and e
원소의 원자 기호 모양의 헬륨 방전관

헬륨은 네온 다음으로 반응성이 낮은 노블 가스이며, 따라서 모든 [84]원소 중 반응성이 두 번째로 낮은 가스입니다.그것은 모든 표준 조건에서 화학적으로 불활성이고 단원자이다.헬륨의 상대적으로 낮은 몰 질량 때문에, 헬륨의 열 전도율, 비열, 그리고 기체 상에서의 음속은 수소를 제외한 다른 어떤 기체보다 큽니다.이러한 이유와 헬륨 단원자 분자의 작은 크기 때문에 헬륨은 고체를 통해 공기의 3배, 수소의 [26]65%의 속도로 확산됩니다.

헬륨은 수용성이 가장 낮은 단원자 [85]기체이며, 수용성이 가장 낮은 기체 중 하나(CF6, SF48, CF)는4 각각 0.3802, 0.4394, 0.23722 x/10으로−5 낮은 몰 분율 용해도를 가지며, 헬륨의 굴절률은 0.707972 x/[86]10으로−5,[87] 헬륨의 굴절률은 다른 기체보다 동일성에 가깝다.헬륨은 음의 줄(Joule)을 가지고 있습니다.정상 주변 온도에서 Thomson 계수, 즉 자유롭게 확장할 수 있으면 가열됩니다.줄 아래만...톰슨 반전 온도(1기압에서 약 32~50K)는 자유 팽창 [26]시 냉각됩니다.이 온도 이하로 미리 냉각된 헬륨은 팽창 냉각을 통해 액화됩니다.

대부분의 외계 헬륨은 원자 헬륨과는 성질이 상당히 다른 플라즈마 상태로 발견됩니다.플라즈마에서 헬륨의 전자는 핵에 결합되지 않기 때문에 기체가 부분적으로만 이온화되더라도 매우 높은 전기 전도율을 보입니다.하전 입자는 자기장과 전기장의 영향을 많이 받습니다.예를 들어, 태양풍과 이온화된 수소는 지구 자기권과 상호작용하여 버켈랜드 전류와 [88]오로라를 발생시킨다.

액체 헬륨

주요 기사: 액체 헬륨
액화 헬륨.이 헬륨은 액체일 뿐만 아니라 초유동성이 될 정도로 냉각되었다.유리 바닥의 액체 방울은 헬륨이 용기에서 측면으로 자연스럽게 빠져나와 용기에서 비운다는 것을 나타냅니다.이 과정을 구동하기 위한 에너지는 낙하하는 헬륨의 잠재적 에너지에 의해 공급됩니다.

다른 원소와 달리 헬륨은 정상 압력에서 절대 0까지 액체를 유지합니다.이것은 양자역학의 직접적인 영향입니다. 구체적으로는, 시스템의 영점 에너지가 너무 높아 얼지 않습니다.고체 헬륨은 약 25bar(2.5MPa)의 [89]압력에서 1~1.5K(약 -272°C 또는 -457°F)의 온도가 필요합니다.두 상은 굴절률이 거의 같기 때문에 고체와 액체 헬륨을 구별하기가 어렵습니다.고체는 날카로운 녹는점과 결정 구조를 가지고 있지만 압축성이 매우 높습니다. 실험실에서 압력을 가하면 체적을 30% [90]이상 줄일 수 있습니다.약 27MPa의[91] 부피 계수로 물보다 최대 100배 이상 압축됩니다.고체 헬륨의 밀도는 1.15K와 66atm에서 0.214±0.006g/cm이며3, 0K와 25bar(2.5MPa)에서 투영 밀도는 0.187±0.009g/[92]cm이다3.고온에서는 헬륨이 충분한 압력으로 응고됩니다.실온에서는 약 114,000개의 [93]ATM이 필요합니다.

헬륨 I

끓는점 4.22K(-268.93°C; -452.07°F) 이하와 람다점 2.1768K(-270.9732°C; -455.7518°F) 이상에서는 헬륨-4는 정상 [26]무색 액체 상태로 존재한다.다른 극저온 액체처럼 헬륨I는 가열되면 끓고 온도가 낮아지면 수축한다.그러나 람다점 이하에서는 헬륨이 끓지 않고 온도가 더 낮아질수록 팽창한다.

헬륨 I은 1.026의 가스 같은 굴절률을 가지고 있어 표면이 잘 보이지 않아 스티로폼의 부유물이 표면의 [26]위치를 나타내는 데 자주 사용된다.이 무색의 액체는 매우 낮은 점도와 0.145~0.125g/mL(약 0~[94]4K 사이)의 밀도를 가지고 있는데, 이는 고전 [26]물리학에서 예상한 값의 1/4에 불과하다.양자역학은 이 성질을 설명하기 위해 필요하며, 따라서 액체 헬륨의 두 상태를 양자 유체라고 부르는데, 이것은 그들이 거시적인 규모로 원자 특성을 나타낸다는 것을 의미합니다.이는 끓는점이 절대 0에 매우 가깝기 때문에 무작위 분자 운동(열 에너지)이 원자 [26]성질을 가리는 것을 막는 효과일 수 있다.

헬륨 II

주요 기사:초유체 헬륨-4

람다점(헬륨 II) 아래의 액체 헬륨은 매우 특이한 특성을 보입니다.열전도율이 높기 때문에 끓을 때 거품이 생기지 않고 표면에서 직접 증발합니다.헬륨-3은 초유체상을 가지고 있지만 훨씬 낮은 온도에서만 존재한다.[26] 그 결과 동위원소의 특성에 대해서는 덜 알려져 있다.

A cross-sectional drawing showing one vessel inside another. There is a liquid in the outer vessel, and it tends to flow into the inner vessel over its walls.
일반 액체와 달리 헬륨 II는 동일한 레벨에 도달하기 위해 표면을 따라 기어갑니다. 잠시 후 두 용기의 레벨이 같아집니다.롤린 필름은 더 큰 용기의 내부도 덮습니다. 밀폐되지 않으면 헬륨 II가 [26]슬금슬금 빠져나가게 됩니다.

헬륨 II는 이상한 성질을 가진 물질의 양자역학적 상태인 초유체입니다.예를 들어 10~10m의−8 얇은−7 모세혈관을 흐를 경우 측정 가능한 [24]점도가 없습니다.그러나 두 개의 움직이는 디스크 사이에서 측정했을 때 헬륨 가스와 동등한 점도가 관찰되었습니다.현재의 이론은 헬륨 II에 대한 2-유체 모델을 사용하여 이것을 설명한다.이 모델에서 람다점 아래의 액체 헬륨은 초유체이며 정확히 점도가 0인 상태로 흐르는 지면 상태의 헬륨 원자의 비율과 일반 [95]유체처럼 행동하는 들뜬 상태의 헬륨 원자의 비율을 포함하는 것으로 보인다.

분수효과에서는 초유동헬륨이 누출되기 쉽지만 비초유동헬륨이 통과할 수 없는 소결디스크에 의해 헬륨II의 저장고와 연결되는 챔버를 구성한다.용기 내부를 가열하면 초유체 헬륨이 비초유체 헬륨으로 바뀝니다.초유동 헬륨의 평형 비율을 유지하기 위해 초유동 헬륨이 스며들어 압력을 증가시켜 용기에서 [96]액체가 분출된다.

헬륨II의 열전도율은 다른 알려진 물질보다 크며 헬륨I의 백만 배, [26]구리의 수백 배입니다.이것은 열전도가 예외적인 양자 메커니즘에 의해 발생하기 때문이다.열을 잘 전도하는 대부분의 물질은 열을 전달하는 역할을 하는 자유 전자의 원자가 밴드를 가지고 있습니다.헬륨 II는 그러한 원자가 띠를 가지고 있지 않지만 그럼에도 불구하고 열을 잘 전도합니다.열의 흐름은 공기 중의 소리 전파를 특징짓는 데 사용되는 파동 방정식과 유사한 방정식에 의해 제어됩니다.열이 유입되면 헬륨II를 통해 초당 20m의 속도로 파동처럼 움직인다.[26]

헬륨II도 포복효과를 보인다.표면이 헬륨 II의 수준을 넘어 확장되면 헬륨 II는 중력에 반하여 표면을 따라 이동합니다.헬륨II는 밀폐되지 않은 용기에서 증발하는 따뜻한 지역에 도달할 때까지 옆을 따라 살금살금 빠져나갑니다.표면 재료에 관계없이 30 nm 두께의 필름으로 이동합니다.이 영화는 롤린 영화라고 불리며 이 특성을 최초로 특징지은 남자인 버나드 5세의 이름을 따서 붙여졌다. 롤인[26][97][98]이러한 포복 행동과 헬륨 II의 작은 구멍을 통해 빠르게 새어나가는 능력으로 인해, 가두는 것은 매우 어렵습니다.용기가 조심스럽게 만들어지지 않는 한 헬륨 II는 표면과 밸브를 따라 더 따뜻한 곳에 도달하여 증발할 때까지 기어다닐 것입니다.롤린막을 통과하는 파동은 얕은 물속의 중력파와 같은 방정식에 의해 지배되지만 중력보다는 복원력이 판데르발스력이다.[99]이 파도들은 제3의 [100]소리라고 알려져 있다.

동위원소

주요 기사:헬륨 동위 원소

헬륨의 동위원소는 9개가 알려져 있지만, 헬륨-3과 헬륨-4만이 안정적이다.지구 대기권에서는 백만 명마다 하나의 원자가 '그'[24]이다.대부분의 원소와 달리 헬륨의 동위원소 풍부성은 생성 과정이 다르기 때문에 기원별로 크게 다릅니다.가장 일반적인 동위원소인 헬륨-4는 지구상에서 더 무거운 방사성 원소의 알파 붕괴에 의해 생성된다. 알파 입자는 완전히 이온화된 헬륨-4 핵이다.헬륨-4는 핵자가 완전한 껍질로 배열되어 있기 때문에 비정상적으로 안정적인 핵이다.그것은 또한 빅뱅 핵합성 [101]과정에서 엄청난 양으로 형성되었다.

헬륨-3은 지구상에 미량만 존재한다.일부는 우주 [102]먼지에 갇힌 채 지구로 떨어지기도 하지만, 그것의 대부분은 지구가 형성된 이래로 존재해왔다.미량도 [103]삼중수소의 베타 붕괴에 의해 생성된다.지구 지각의 암석은 동위원소 비율이 10배까지 변동하며, 이 비율은 암석의 기원과 지구 [102]맨틀의 구성을 조사하는데 사용될 수 있다.3
그는 핵융합의 산물로서 항성에 훨씬 더 풍부하다.따라서 성간매질에서 He 대 He의 비율은 [104]지구보다 약 100배 높다.달과 소행성 레골리스와 같은 외행성 물질들은 태양풍의 폭격으로 인한 미량의 헬륨-3을 가지고 있다.달의 표면에는 약 10ppb의 농도로 헬륨-3가 포함되어 있는데, 이는 지구 [105][106]대기에서 발견된 약 5ppt보다 훨씬 높은 수치이다.1986년 [107]Gerald Kulcinski를 시작으로 많은 사람들이 달을 탐사하고 달의 레골리스를 채굴하며 헬륨-3를 핵융합에 사용할 것을 제안했다.

액체 헬륨-4는 1-K 포트에서 증발 냉각을 사용하여 약 1K(-272.15°C; -457.87°F)까지 냉각할 수 있습니다.끓는점이 낮은 헬륨-3의 유사한 냉각은 헬륨-3 냉장고에서 약 0.2 켈빈을 얻을 수 있습니다.0.8K 이하의 액체 He와 He의 동등한 혼합물은 그들의 차이 때문에 두 개의 불변의 상으로 분리된다. (헬륨-4 원자는 보손이고 헬륨-3 원자는 페르미온이다).[26]희석 냉장고는 이 불용성(inmisclibility)을 사용하여 몇 밀리켈빈의 [108]온도를 달성합니다.

외래 헬륨 동위원소를 만들 수 있는데, 이 동위원소는 다른 물질로 빠르게 분해된다.가장 짧은 수명의 무거운 헬륨 동위원소는 결합 헬륨-10으로 반감기는 2.6(4−22)×[109]10초입니다.헬륨-6은 베타 입자를 방출하여 분해되며 반감기는 0.8초이다.헬륨-7은 감마선뿐만 아니라 베타 입자도 방출한다.헬륨-7과 헬륨-8은 특정 [26]핵반응에서 생성된다.헬륨-6과 헬륨-8은 핵 [26]후광을 나타내는 것으로 알려져 있다.

컴파운드

주요 기사:헬륨 화합물
수소화헬륨이온의 구조, HHe+
의심되는 플루오로헬리산 음이온 구조, OHeF−

헬륨은 원자가가 0이고 모든 정상 [90]조건에서 화학적으로 반응하지 않습니다.이온화되지 않는 한 전기 절연체입니다.다른 희가스들과 마찬가지로 헬륨은 이온화 [26]전위보다 낮은 전압으로 방전된 상태에서 이온화 상태를 유지할 수 있는 준안정 에너지 레벨을 가지고 있습니다.헬륨은 글로 방전되거나 전자 충격에 의해 플라즈마로 환원될 때 텅스텐, 요오드, 불소, 황 및 인과 함께 엑시머로 알려진 불안정한 화합물을 형성할 수 있습니다.분자 화합물 HeNe10, HgHe2, WHe와 분자 이온+
2 He, He2+
2, HeH+
, HeD가+
이렇게 [110]생성되었습니다.HeH는+ 또한 지면 상태에서도 안정적이지만 매우 반응적이다. 알려진 가장 강한 Brönsted 산이며, 따라서 HeH가 접촉하는 모든 분자 또는 대항 음이온을 양성자화시키기 때문에 격리된 상태에서만 존재할 수 있다.이 기술은 다수의 밴드계를 가진 중성 분자2 He와 편파력만으로 [26]결합하는 것으로 보이는 HgHe도 만들어냈다.

헬륨의 반데르발스 화합물은 극저온 헬륨 가스와 LiHe와 [111]He와2 같은 다른 물질의 원자로도 형성될 수 있습니다.

이론적으로,[112] 2000년에 발견된 Herf와 유사한 플루오로히드화 헬륨(HeF)과 같은 다른 진정한 화합물이 가능할 수 있다.계산 결과 헬륨-산소 결합을 포함하는 두 개의 새로운 화합물이 [113]안정적일 수 있습니다.이론을 사용하여 예측된 두 가지 새로운 분자 종, CsFHeO와 N(CH3)4FHeO는 2005년 대만의 한 그룹이 최초로 이론화한 준안정 FHeO− 음이온의 유도체이다.만약 실험으로 확인된다면, 알려진 안정된 화합물이 없는 유일한 원소는 [114]네온일 것이다.

헬륨 원자는 고압에서 가열하여 중공 탄소 케이지 분자(풀러렌)에 삽입되었습니다.형성된 내면체 플라렌 분자는 고온에서 안정적입니다.이러한 플라렌의 화학적 유도체가 형성될 때 헬륨은 [115]내부에 머무릅니다.헬륨-3을 사용하면 헬륨 핵자기공명 분광법으로 [116]쉽게 관측할 수 있다.헬륨-3를 포함한 많은 플라렌이 보고되었다.헬륨 원자는 공유 결합이나 이온 결합에 의해 부착되지 않지만, 이 물질들은 모든 화학 화학 화학 화합물처럼 뚜렷한 특성과 확실한 구성을 가지고 있습니다.

고압 하에서는 헬륨이 다양한 다른 원소와 화합물을 형성할 수 있습니다.헬륨질소포화합물(He(N2))11 결정은 실온에서 약 ca의 압력으로 성장했습니다. 다이아몬드 앤빌 [117]셀에서 10 GPa.절연성 전장2 NaHe는 113 GPa 이상의 압력에서 열역학적으로 안정적인 것으로 나타났다.불소석 [118]구조입니다.

발생 및 생산

자연 풍족도

지구에서는 드물지만, 헬륨은 알려진 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이며, 중입자 질량의 23%를 차지합니다.오직 수소만이 [24]더 풍부하다.헬륨의 대부분은 빅뱅 후 1분에서 3분 후에 빅뱅 핵합성에 의해 형성되었다.이와 같이, 그것의 풍부함의 측정치는 우주론적 모델에 기여합니다.별에서는 양성자-양성자 연쇄 반응에서 수소의 핵융합과 항성 핵합성의 [101]일부인 CNO 사이클에 의해 형성된다.

지구 대기 중 헬륨의 부피별 농도는 [119][120]5.2ppm에 불과하다.지구 대기에 있는 대부분의 헬륨이 몇 가지 [121][122][123]과정을 거쳐 우주로 빠져나가기 때문에 새로운 헬륨이 지속적으로 생성되고 있음에도 불구하고 그 농도는 낮고 상당히 일정하다.지구 상층 대기의 일부인 헤테로스피어에서는 헬륨과 다른 가벼운 가스들이 가장 풍부한 원소들이다.

지구상의 대부분의 헬륨은 방사성 붕괴의 결과이다.때문에 전자 즉시는 건축 디자인의 기본 설계로 결합하여 알파 입자들(헬륨 원자 핵 He2+)를 분출하는 헬륨 우라늄과 토륨의 광물에서 섬과 그 변화와 pitchblende,[16][124]carnotite과 세륨과 란탄의 인산염(그룹 이름;"모나자이트"보통 monazite-(Ce을 말한다)),[125][126]희토류 등 많은 양의에서 발견된다.끌레 번째에 의해 중단돼 있다.암석. 이런 방식으로 암석권 [127][128][129]전체에서 연간 약 3000톤의 헬륨이 생성된다.지구의 지각에서 헬륨의 농도는 8ppm이다.바닷물의 농도는 1조당 4ppm에 불과하다.광천, 화산 가스, 운석 철에도 소량이 들어 있습니다.헬륨은 천연가스를 가두는 조건하에서 지표면에 갇히기 때문에, 지구상에서 가장 많은 천연농도의 헬륨이 천연가스에서 발견되는데, 이 천연가스에서 대부분의 상업용 헬륨이 추출된다.뉴멕시코 [130][131]주 산후안 카운티의 작은 가스전에서 농도는 몇 ppm에서 7% 이상까지 다양하다.

2021년 현재 세계 헬륨 매장량은 310억 입방미터로 추정되며 그 중 3분의 1은 카타르에 [132]있다.2015년과 2016년에는 북미의[133] 록키 산맥과 동아프리카 [134]리프트 아래에 매장될 가능성이 있는 추가 매장량이 발표되었다.

최신 추출 및 배포

대규모 사용을 위해 헬륨은 천연가스에서 추출되며,[135] 헬륨 함유량은 7%에 달할 수 있습니다.헬륨은 다른 어떤 원소보다 끓는점이 낮기 때문에, 낮은 온도와 높은 압력이 거의 모든 다른 가스(대부분의 질소와 메탄)를 액화시키는 데 사용됩니다.생성된 조헬륨 가스는 낮은 온도에 연속적으로 노출됨으로써 정제됩니다. 이 온도에서 거의 모든 질소 및 기타 가스가 가스 혼합물에서 침전됩니다.활성탄은 최종 정화 단계로 사용되며, 일반적으로 순도 99.995%의 A급 [26]헬륨을 생성합니다.A급 헬륨의 주요 불순물은 네온이다.최종 생산 공정에서 생산된 헬륨의 대부분은 극저온 공정을 통해 액화됩니다.이는 액체 헬륨을 필요로 하는 애플리케이션에 필요하며, 또한 가장 큰 액체 헬륨 용기가 가장 큰 기체 헬륨 [75][136]튜브 트레일러의 5배 이상의 용량을 가지고 있기 때문에 헬륨 공급업체는 장거리 운송 비용을 절감할 수 있습니다.

2008년 약 1억6천900만 입방미터(SCM)의 헬륨이 천연가스에서 추출되거나 헬륨 저장고에서 회수되었으며, 약 78%는 미국에서, 10%는 알제리에서, 나머지 대부분은 러시아, 폴란드 및 [137]카타르에서 추출되었다.2013년까지 카타르(에어 리퀴드가 관리하는 라스 가스 회사)의 헬륨 생산 증가는 카타르의 세계 헬륨 생산 비율을 25%로 증가시켰고,[138] 카타르를 미국에 이어 두 번째로 큰 수출국으로 만들었다.2016년 [139]탄자니아에서 약 540억 입방피트(1.5×10m93)의 헬륨 퇴적물이 발견되었습니다.2020년 [140]중국 닝샤에 대규모 헬륨 공장이 문을 열었다.

미국에서는 대부분의 헬륨이 캔자스, 오클라호마, [75][141]텍사스의 팬핸들필드와 휴고톤 가스전과 인근 가스전에서 추출된다.이 가스의 대부분은 한때 파이프라인으로 국가 헬륨 비축소로 보내졌으나 2005년부터 이 비축량이 고갈되고 매각되고 있으며 2013년 10월 헬륨 관리 및 관리법(H.R. 527)[142]에 따라 2021년까지 대부분 [138]고갈될 것으로 예상됩니다.

특수 반투과막 및 기타 장벽을 통해 천연가스를 확산시키는 것도 [143]헬륨을 회수하고 정화시키는 방법이다.1996년 미국은 이런 가스정 복합시설에서 약 1470억 입방피트(42억 SCM)[144]의 헬륨 매장량을 입증했다.그 당시 사용률(미국에서는 연간 7200만 SCM, 아래 파이 차트 참조)에서는 약 58년간의 미국 사용 기간 동안 충분한 헬륨을 사용할 수 있었고, 세계 사용률에서는 이보다 적은 헬륨(약 80%)을 사용할 수 있었을 것입니다.다만, 절약과 처리의 요인이 유효 예비량에 영향을 주고 있습니다.

헬륨은 공기 중에 네온의 극히 일부에 불과하기 때문에 천연 가스로부터 추출되어야 하지만, 헬륨에 대한 수요는 훨씬 더 높습니다.헬륨을 절약하기 위해 네온 생산을 모두 재냉각하면 전 세계 헬륨 수요의 0.1%가 충족될 것으로 추정된다.마찬가지로, 전 세계 헬륨 수요의 1%만이 모든 공기 증류 공장의 [145]재설비를 통해 충족될 수 있었습니다.헬륨은 리튬이나 붕소를 고속 양성자로 폭격하거나 리튬을 중수소로 폭격하여 합성할 수 있지만, 이러한 과정은 완전히 비경제적인 [146]생산 방법입니다.

헬륨은 액체 또는 기체 형태로 시판되고 있습니다.액체로서는 1,000리터의 헬륨을 담을 수 있는 드와라고 불리는 작은 절연 용기 또는 42m3(약 11,000 미국 갤런)의 공칭 용량을 가진 큰 ISO 용기에 공급될 수 있습니다.기체 형태에서는 소량의 헬륨이 8m3(약 282 표준 입방피트)의 고압 실린더에 공급되는 반면, 4,860m3(약 172,000 표준 입방피트)의 용량을 가진 튜브 트레일러에 다량의 고압 가스가 공급됩니다.

환경보호론자

주요 기사:헬륨 저장 및 보존

노벨 물리학상 수상자인 Robert Coleman Richardson과 같은 헬륨 보존론자들에 따르면, 헬륨의 자유 시장 가격이 "쓰레기" 사용에 기여했다고 합니다.2000년대 가격은 [147]2015년까지 미국의 대규모 헬륨 비축량을 매각하기로 한 미 의회의 결정으로 인하되었다.리처드슨에 따르면 헬륨의 과도한 낭비를 없애기 위해서는 가격에 20을 곱해야 했다.Nuttall, Clarke & Glowacki(2012)는 천연자원으로서의 헬륨의 미래(The Future of Helium as a natural resource)에서 이 귀중한 상품의 지속 가능한 시장을 구축하기 위해 국제 헬륨 기구([148]IHA)를 설립할 것을 제안했다.

적용들

A large solid cylinder with a hole in its center and a rail attached to its side.
액체 헬륨의 가장 큰 단일 용도는 최신 MRI 스캐너에서 초전도 자석을 냉각시키는 것입니다.

범주별 2014년 추정 미국의 부분 헬륨 사용량.총 사용량은 3400만 입방미터입니다.[149]

저온학(32%)
가압 및 퍼지(18%)
용접(13%)
대기 제어(18%)
누출 감지(4%)
호흡 혼합물(2%)
기타(13%)

풍선은 아마도 헬륨의 가장 잘 알려진 사용일지라도, 모든 헬륨 [70]사용의 작은 부분입니다.헬륨은 낮은 비등점, 낮은 밀도, 낮은 용해도, 높은 열 전도율 또는 불활성성 등 고유한 특성을 필요로 하는 여러 용도로 사용됩니다.연간 약 3200만 kg(1억8000만 입방미터)[150]의 헬륨 총 생산량 중 가장 큰 사용량은 2014년 전체 헬륨의 약 32%이며, 그 대부분은 의료용 MRI 스캐너와 NMR 분광계의 초전도 자석을 냉각하는 것과 관련이 있다.다른 주요 용도는 가압 및 퍼지 시스템, 용접, 제어된 대기 유지 및 누출 감지였습니다.범주별 기타 용도는 비교적 [149]소분수였다.

대기 제어

헬륨은 불활성이기 때문에 실리콘과 게르마늄 결정의 성장, 티타늄과 지르코늄 생산 및 가스 크로마토그래피에서 [90]보호 가스로 사용됩니다.불활성성, 열·열량적으로 완벽한 성질, 빠른 음속, 높은 열용량비 때문에 초음속 풍동[151] 및 임펄스 [152]시설에서도 유용하다.

가스 텅스텐 아크 용접

주요 기사: 가스 텅스텐 아크 용접

헬륨은 용접 온도에서 공기나 [24]질소에 의해 오염되고 약해지는 재료의 아크 용접 공정에서 차폐 가스로 사용됩니다.가스 텅스텐 아크 용접에는 많은 불활성 차폐 가스가 사용되지만, 알루미늄이나 구리처럼 열 전도율이 높은 용접 재료에는 저렴한 아르곤 대신 헬륨이 사용됩니다.

마이너 용도

산업용 누출 감지

Photo of a large, metal-framed device (about 3×1×1.5 m) standing in a room.
이중 챔버 헬륨 누출 검출기

헬륨에 대한 산업 응용 분야 중 하나는 누출 감지입니다.헬륨은 공기보다 3배 빠른 속도로 고체를 통해 확산되기 때문에 고진공 장비(예: 극저온 탱크)와 고압용기의 [153]누출을 감지하는 트레이서 가스로 사용된다.실험 대상물은 챔버에 넣어지고 챔버는 대피하여 헬륨으로 채워집니다.누출을 통해 빠져나가는 헬륨은 10 mbar·L/s(10 Pa·m3/s)의−9−10 누출 속도에서도 민감한 장치(헬륨 질량 분석계)에 의해 검출된다.측정 절차는 일반적으로 자동이며 헬륨 적분 테스트라고 합니다.보다 간단한 절차는 테스트 대상 물체를 헬륨으로 채우고 휴대용 [154]장치를 사용하여 수동으로 누출 여부를 검색하는 것입니다.

균열을 통한 헬륨 누출은 벌크 재료를 통한 가스 침투와 혼동해서는 안 된다.헬륨은 유리, 세라믹 및 합성 재료를 통해 투과 상수(따라서 계산 가능한 투과율)를 기록했지만 헬륨과 같은 불활성 가스는 대부분의 벌크 [155]금속에 투과하지 않습니다.

비행

The Good Year Blimp
헬륨은 낮은 밀도와 불연성 때문에 Goodyear 비행선과 같은 비행선을 채우기 위해 선택되는 기체입니다.

그것은 공기보다 가볍기 때문에, 비행선과 풍선은 양력을 위한 헬륨으로 부풀려진다.수소 가스는 부력이 더 높고, 더 낮은 속도로 막을 통해 침투하는 반면, 헬륨은 불연성이며, 실제로 난연성이라는 장점이 있습니다.또 다른 사소한 용도는 로켓에서 헬륨이 저장 탱크에서 연료와 산화제를 대체하고 수소와 산소를 응축하여 로켓 연료를 만드는 데 사용되는 것이다.또한 발사 전에 지상 지원 장비에서 연료와 산화제를 제거하고 우주선에서 액체 수소를 사전 냉각하는 데 사용됩니다.예를 들어, 아폴로 계획에 사용된 새턴 V 로켓은 [90]발사하기 위해 약 37만3 m의 헬륨이 필요했다.

소규모 상업용 및 오락용

호흡가스로서의 헬륨은 마취성이 없기 때문에 트리믹스, 헬리오크스, 헬라이어 등의 헬륨 혼합물을 딥 다이빙에 사용해 [156][157]깊이가 커질수록 악화되는 마취 효과를 줄인다.깊이에 따라 압력이 높아짐에 따라 호흡가스의 밀도도 높아지며 헬륨의 분자량이 낮아져 혼합물의 밀도가 낮아져 호흡의 노력이 현저하게 감소하는 것으로 밝혀졌다.이는 레이놀즈 흐름의 수를 감소시켜 난류 흐름의 감소와 [158][159]숨쉬는 작업이 덜 필요한 층류 흐름의 증가로 이어집니다.150m(490ft) 이하의 깊이에서 헬륨-산소 혼합물을 호흡하는 다이버들은 진동과 정신 운동 기능의 저하를 경험하기 시작한다. 고압 신경 [160]증후군의 증상이다.이 효과는 헬륨-산소 [161]혼합물에 수소나 질소와 같은 마취성 가스를 첨가함으로써 어느 정도 상쇄될 수 있다.

적색 빔을 생성하는 저전력 가스 레이저의 일종인 헬륨 네온 레이저는 바코드 리더와 레이저 포인터를 포함한 다양한 실용적인 응용 분야를 가지고 있었으며, 그 전에는 값싼 다이오드 [24]레이저로 대체되었다.

헬륨은 불활성성과 높은 열전도성, 중성자 투명성, 원자로 조건 하에서 방사성 동위원소를 형성하지 않기 때문에 일부 가스냉각 원자로에서 [153]열전달 매체로 사용된다.

제논과 같은 무거운 가스와 혼합된 헬륨은 높은 열 용량 비율과 낮은 Prandtl [162]수치로 인해 열음향 냉동에 유용합니다.헬륨의 불활성성은 오존 파괴나 지구 [163]온난화의 원인이 되는 기존의 냉동 시스템에 비해 환경적인 이점이 있습니다.

헬륨은 일부 하드 디스크 [164]드라이브에도 사용됩니다.

과학적 용도

헬륨을 사용하면 [26]굴절률이 매우 낮기 때문에 일부 망원경에서 렌즈 사이의 공간에서의 온도 변화의 왜곡 효과를 줄일 수 있습니다.이 방법은 진공 밀착형 망원경이 [165][166]너무 무거운 태양 망원경에서 특히 사용된다.

헬륨은 가스 크로마토그래피에 일반적으로 사용되는 운반 가스입니다.

우라늄과 토륨을 포함한 암석과 광물의 나이는 헬륨 [24][26]연대 측정법이라고 알려진 과정을 통해 헬륨의 수준을 측정함으로써 추정할 수 있다.

저온의 헬륨은 저온학 및 특정 저온학 분야에서 사용됩니다.응용의 예로서 액체 헬륨은 자기공명영상용 초전도 자석 등 초전도성에 필요한 극저온까지 특정 금속을 냉각하기 위해 사용된다.CERN의 대형 강입자 충돌기는 96톤의 액체 헬륨을 사용하여 온도를 1.9K(-271.25°C; -456.25°F)[167]로 유지합니다.

의료 용도

헬륨은 2020년 4월 미국에서 인간과 [168][169]동물을 위한 의료용으로 승인되었다.

오염물질로서

헬륨 오염은 화학적으로 비활성화된 상태에서 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS)의 작동을 저해하여 iPhone이 [170]고장날 수 있습니다.

흡입 및 안전

영향들

표준 조건에서 중성 헬륨은 독성이 없으며 생물학적 역할을 하지 않으며 사람의 혈액에서 미량 검출됩니다.

헬륨이 사람의 목소리에 미치는 영향
헬륨이 사람의 목소리에 미치는 영향
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헬륨의 음속은 공기 중의 음속의 거의 세 배입니다.가스를 채운 공동의 자연 공진 주파수는 기체 내 음속에 비례하기 때문에 헬륨을 흡입할 때 성관의 공진 주파수가 증가하는데, 이는 [24][171]성음의 증폭기인 성관의 공진 주파수가 이에 상응하여 증가한다.이 증폭기(성로)의 공진 주파수가 증가하면 성대의 직접 진동에 의해 발생하는 음파의 고주파 성분이 음성 박스에 공기가 가득 찬 경우에 비해 증폭됩니다.사람이 헬륨가스를 흡입한 후 말을 할 때, 성대를 제어하는 근육은 여전히 성대에 공기가 차 있을 때와 같은 방식으로 움직이기 때문에 성대의 직접 진동에 의해 발생하는 기본 주파수(피치라고도 함)는 [172]변하지 않는다.그러나 고주파 선호 증폭은 증폭음의 음색을 변화시켜 리드미컬한 오리 같은 음질을 만들어낸다.반대 효과인 공진 주파수를 낮추는 것은 육불화황이나 제논과 같은 밀도가 높은 가스를 흡입함으로써 얻을 수 있습니다.

위험 요소

헬륨은 단순한 질식제이기 때문에 정상적인 [24][173]호흡에 필요한 산소를 대체하기 때문에 헬륨을 너무 많이 흡입하면 위험할 수 있습니다.2003년 밴쿠버에서 질식사한 청소년과 [174][175]2006년 사우스플로리다에서 질식사한 성인 2명을 포함한 사망자가 기록되었다.1998년 빅토리아주 출신의 한 호주 소녀가 파티 [176][177][178]풍선의 내용물을 통째로 들이마신 후 의식을 잃고 일시적으로 파랗게 질렸다.고압 실린더나 풍선 충전 밸브에서 헬륨을 직접 흡입하는 것은 매우 위험합니다. 높은 유속과 압력으로 인해 바로트라우마가 발생하여 폐 [173][179]조직이 치명적으로 파열될 수 있습니다.

헬륨으로 인한 죽음은 드물다.언론에서 보도된 첫 번째 사례는 1998년 친구의 파티에서 헬륨 흡입으로 사망한 텍사스 출신의 15세 소녀의 경우이다. 정확한 헬륨 사망 유형은 [176][177][178]확인되지 않았다.

미국에서는 [174][179]2002년 바로트라우마로 노스캐롤라이나에서 사망한 남성을 포함해 2000년과 2004년 사이에 두 명의 사망자만 보고되었다.2003년 밴쿠버에서 한 젊은이가 질식사했고 2000년 [174]호주의 27세 남성이 실린더로 숨을 쉬다 색전증을 앓았다.2006년 플로리다 [174][175][180]남부에서 성인 2명이 질식사한 이후 2009년과 2010년에도 한 캘리포니아 청년은 머리에 가방을 씌운 채 헬륨 [181]탱크에 붙어 있었고, 북아일랜드의 또 다른 청소년은 [182]질식사로 사망했다.오리건주 이글 포인트에서는 2012년 파티에서 [183][184][185]10대 소녀가 바로트라우마로 사망했다.미시건 출신의 한 소녀가 그 [186]해 말에 저산소증으로 사망했다.

2015년 2월 4일, 1월 28일 본방송의 녹화 도중, 일본 여성 가수 그룹 3B 주니어의 멤버(이름 미상) 12세의 기포가 대량으로 들이마신 후 뇌로 흐르는 혈액의 흐름을 차단해, 기포에 의한 색전증으로 의식을 잃고, 혼수 상태에 빠진 것이 밝혀졌다.게임의 일부로 헬륨을 묶는 것.그 사건은 일주일 [187][188]후에야 알려졌다.TV아사히 관계자는 긴급 기자회견을 열어 멤버가 병원으로 옮겨져 눈과 팔다리가 움직이는 등 재활의 징후를 보이고 있지만 아직 의식이 충분히 의식을 회복하지 못했다.경찰은 안전 대책을 [189][190]게을리해 수사에 착수했다

극저온 헬륨의 안전 문제는 액체 질소와 유사하며, 극저온으로 인해 차가운 화상을 입을 수 있으며, 압력 완화 장치를 설치하지 않으면 액체 대 가스 팽창비가 폭발을 일으킬 수 있습니다.5~10 K의 헬륨가스 용기는 10 K 미만의 헬륨가스를 상온으로 [90]가열할 때 발생하는 열팽창이 빠르고 현저하므로 액체헬륨을 포함하는 것처럼 취급하여야 한다.

고압(약 20atm 또는 2MPa 이상)에서 헬륨과 산소(헬리옥스)의 혼합물은 일종의 역마취 효과인 고압 신경 증후군을 일으킬 수 있습니다. 혼합물에 소량의 질소를 첨가하면 [191][160]문제를 완화할 수 있습니다.

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메모들

  1. ^ 몇몇 저자들은 헬륨이 알칼리 토류 금속과 함께 베릴륨 위에 위치하는 것을 선호하면서 헬륨이 귀가스 기둥에 위치하는 것에 대해 이의를 제기합니다.이는 알칼리 토류 금속의2 ns 원자가 구성과 유사한 헬륨의2 1s 전자 구성을 근거로 하며, 더 나아가 베릴륨보다 [5][6][7][8][9]헬륨이 더 규칙적인 몇 가지 특정 추세를 나타냅니다.그러나 헬륨의 놀라운 불활성성은 다른 가벼운 네온 및 [10]아르곤의 그것과 매우 가깝기 때문에 헬륨과 다른 귀가스와의 분류는 거의 보편적이다.

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  13. ^ 포그슨은 1868년 일식 관측을 인도 정부에 제출했지만 그의 보고서는 발표되지 않았다.그럼에도 불구하고, Nath, The Story of Helium and Birth of Astrophysics (뉴욕, 뉴욕: Springer, 2013, 페이지 8)는 그의 보고서에서 인용했다.320페이지부터 2018년 8월 17일 로키어의 웨이백 머신에 보관된 J. 노먼(1896) "헬륨 이야기"프롤로그, 53:319–322 : "포그슨은 1868년 일식을 언급하면서 노란색 선이 "D, 즉 D 근처에 있다"고 말했다.
  14. ^ 존 허셜 중위(1868) "1868년 봄베이 대통령직 잠칸디에서 본 1868년 일식 설명", 17:104–120.113페이지부터: 개기일식의 순간이 다가옴에 따라, "…나는 D 부근의 스펙트럼에서 점점 더 밝아지는 것을 기록했습니다. 사실, 적절한 구름이 빛을 완화시킬 때까지 이 선의 측정을 방해할 정도로 대단했습니다.이에 대해 설명할 준비가 돼 있지 않다고 말했다.페이지 117부터: "또한 그러한 식별성을 확립하는 계측기의 용량에 관한 한 주황색 라인이 D와 동일하다는 것에는 의심의 여지가 없다고 생각한다."
  15. ^ 1868년 일식에 대한 프랑스 과학 아카데미에 제출한 초기 보고서에서 얀센은 태양 스펙트럼의 노란색 선에 대해 언급하지 않았다.그러나 1868년 12월 19일 샤를 생트-클레어 데빌에게 보낸 미공개 서한에서 얀센은 데빌에게 프랑스 과학 아카데미에 다음과 같은 사실을 알려달라고 요청했다.밝은 노란색 선은 실제로 D에 매우 가깝게 놓여 있었지만, 빛은 D선에 비해 [즉, 파장이 짧은] 더 유연했다.태양에 대한 후속 연구는 내가 여기서 말하는 것의 정확성을 보여주었다." (Launay, 2012), 페이지 45 참조)
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