헬륨-4

3. 헬륨-4 원자핵과 전자껍질의 안정성

헬륨-4 원자핵과 전자껍질은 모두 매우 안정된 구조를 가지고 있다. 헬륨-4 원자핵은 양성자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있는데, 이들은 모두 1s 궤도함수를 채우고 있어 강한 핵력으로 결합되어 있다. 전자껍질 역시 2개의 전자가 1s 궤도함수를 채우고 있어 안정하다.

이러한 헬륨-4의 안정성은 다음과 같은 특징들을 설명한다.

• 화학적 비활성: 헬륨은 전자껍질이 안정되어 있어 다른 원소와 거의 반응하지 않는다. 이는 모든 원소 중 가장 낮은 끓는점과 녹는점을 가지는 이유이기도 하다.
• 핵융합의 용이성: 헬륨-4 원자핵은 매우 안정하기 때문에, 핵융합 반응에서 쉽게 생성된다. 태양에서 일어나는 수소 핵융합 반응의 주된 결과물이 헬륨-4인 것도 이 때문이다. 또한, 알파 붕괴가 클러스터 붕괴보다 더 일반적인 이유이기도 하다.
• 우주론적 중요성: 빅뱅 초기 우주에서 대부분의 원자핵이 헬륨-4로 형성된 이유도 헬륨-4 원자핵의 안정성 때문이다. 헬륨-4 핵자는 강하게 결합되어 있어, 베타 붕괴 이전에 거의 모든 자유 중성자를 소모하여 더 무거운 원소를 형성할 중성자가 거의 남지 않게 했다.

3. 1. 헬륨-4 원자핵의 안정성

헬륨-4 원자핵은 이중 마법수라고 불리는 안정성을 지닌다. 고에너지 전자 산란 실험을 통해 헬륨-4 원자핵의 전하 분포를 확인할 수 있는데, 이는 중심점에서 최댓값을 가지고 지수적으로 감소하며, 헬륨 원자의 전자구름의 전하 밀도와 정확히 일치한다. 이러한 대칭성은 헬륨 원자핵 내의 두 개의 중성자와 두 개의 양성자가 헬륨의 두 개의 전자와 같은 양자역학적 규칙을 따르기 때문이다. 이 페르미온들은 '''1s''' 궤도 함수를 쌍으로 완전히 채우고, 궤도 각운동량을 갖지 않으며, 각각의 고유 스핀이 서로 상쇄된다. 이러한 배열은 모든 입자에 대해 에너지적으로 매우 안정적이며, 이러한 안정성은 자연계에서 헬륨과 관련된 많은 중요한 사실을 설명한다.

헬륨-4 원자핵의 특별한 에너지 안정성은 핵융합 반응에서 헬륨-4 생성이 용이한 이유를 설명한다. 또한 알파 입자가 원자핵에서 방출되는 가장 일반적인 바리온 입자인 이유에도 일부 기여한다. 다시 말해, 알파 붕괴는 클러스터 붕괴보다 훨씬 더 일반적이다.

헬륨-4 원자핵의 특이한 안정성은 우주론적으로도 중요하다. 헬륨-4에서 핵자의 결합이 매우 강하여 베타 붕괴가 일어나기 전에 몇 분 만에 거의 모든 자유 중성자가 소모되어 더 무거운 원자를 형성할 중성자가 매우 적게 남았다.

3. 2. 헬륨-4의 화학적 비활성

헬륨의 전자구름의 안정성과 낮은 에너지는 헬륨의 화학적 불활성을 야기한다. 헬륨은 모든 원소 중 가장 극단적인 화학적 불활성을 띠며, 헬륨 원자 간 상호작용이 부족하여 모든 원소 중 가장 낮은 녹는점과 끓는점을 가진다.

3. 3. 헬륨-4 생성의 용이성

헬륨-4 원자핵은 이중 마법수라고 불리는 안정성을 지닌다. 이러한 안정성은 자연계에서 헬륨과 관련된 여러 현상을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.

헬륨-4 원자핵의 특별한 에너지 안정성은 핵융합 및 핵분열과 같은 원자 반응에서 헬륨-4 생성이 쉽게 일어나는 이유를 설명한다. 예를 들어, 태양에서 일어나는 수소 핵융합 반응에서는 대부분 헬륨-4가 생성되는데, 이는 헬륨-4의 생성이 에너지적으로 매우 유리하기 때문이다. 또한 헬륨-4의 안정성은 알파 붕괴가 클러스터 붕괴보다 훨씬 더 일반적인 이유이기도 하다.

3. 4. 우주론적 중요성

헬륨-4 원자핵의 특이한 안정성은 우주론적으로 중요하다. 이는 빅뱅 후 처음 몇 분 동안, 자유 양성자와 중성자의 "수프"가 핵 결합이 가능할 정도로 식었을 때, 거의 모든 원자핵이 헬륨-4 원자핵으로 형성되었다는 사실을 설명한다. 헬륨-4에서 핵자의 결합이 매우 강하여 베타 붕괴가 일어나기 전에 몇 분 만에 거의 모든 자유 중성자가 소모되어 더 무거운 원자(특히 리튬, 베릴륨, 붕소)를 형성할 중성자가 매우 적게 남았다. 헬륨-4의 핵자당 핵 결합 에너지는 이러한 원소들보다 강하며(핵합성 및 결합 에너지 참조), 따라서 헬륨이 형성된 후에는 원소 3, 4, 5를 만드는 에너지적 "추진력"이 없었다.^[2] 헬륨이 핵자당 더 높은 에너지를 가진 다음 원소(탄소)로 융합되는 것은 에너지적으로 간신히 유리하다. 그러나 중간 원소의 희귀성과 베릴륨-8(두 개의 ⁴He 원자핵이 융합될 때 생성되는 생성물)의 극심한 불안정성으로 인해 이 과정은 세 개의 헬륨 원자핵이 거의 동시에 서로 충돌해야 한다(삼중 알파 과정 참조).^[2] 따라서 초기 팽창하는 우주가 헬륨이 탄소로 융합되는 것이 더 이상 불가능할 정도로 온도와 압력이 낮아지기 전인 빅뱅 후 몇 분 안에 상당한 양의 탄소가 형성될 시간이 없었다. 이로 인해 초기 우주는 오늘날 관측되는 것과 매우 유사한 수소-헬륨 비율(질량으로 수소 3부분 대 헬륨-4 1부분)을 가지게 되었고, 우주에 있는 거의 모든 중성자가 헬륨-4에 갇히게 되었다.^[2]

4. 더 무거운 원소의 생성

빅뱅 이후 초기 우주는 수소와 헬륨이 대부분이었지만, 별 내부에서 일어나는 핵융합 반응을 통해 더 무거운 원소들이 생성되기 시작했다.^[1] 이러한 무거운 원소들은 지구와 같은 암석 행성이 만들어지고, 탄소 기반 생명체가 탄생하는 데 필수적인 재료가 되었다.^[1]

별 내부에서는 수소 원자핵들이 융합하여 헬륨-4를 생성하고, 이 헬륨-4 원자핵들이 다시 융합하여 탄소를 비롯한 더 무거운 원소들을 만들어낸다.^[1] 삼중 알파 과정과 같이 헬륨 원자핵들이 연쇄적으로 반응하는 과정을 통해 다양한 원소들이 합성된다.^[1]

오늘날 우주를 구성하는 물질 중 수소와 헬륨을 제외한 나머지 무거운 원소들은 전체 질량의 약 2%에 불과하다.^[1] 하지만 이 작은 비율의 무거운 원소들이 없었다면 지구는 물론, 생명체도 존재할 수 없었을 것이다.^[1]

참조

_[1] 논문 Theory of the superglass phase
_[2] 웹사이트 Press release: Supersolid or superglass? Cornell researchers study a strange state of matter in helium - Cornell Chronicle http://www.news.corn[...]
_[3] 논문 Mean field theory of superglasses
_[4] 논문 Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions
_[5] 웹사이트 http://www.lpi.usra.[...]