리튬-헬륨 화합물

1. 개요

리튬-헬륨 화합물은 리튬(Li) 원자와 헬륨(He) 원자로 구성된 분자이다. 2013년 형광 분광법을 통해 LiHe 분자의 존재가 처음 확인되었으며, 극성 및 상자성을 띤다. LiHe는 극저온 환경에서 리튬 금속을 헬륨 완충 기체에 레이저 절제하여 생성되며, 리튬과 헬륨 원자 사이의 결합은 매우 약한 반 데르 발스 힘에 의해 형성된다. 결합 에너지는 매우 낮고 결합 길이는 동위원소에 따라 다르며, ⁶LiHe와 ⁷LiHe의 평균 원자 간 거리는 각각 48.53 Å과 28.15 Å이다. LiHe에서 헬륨 원자의 전자가 여기되면 원자간 쿨롱 붕괴가 일어나 분자가 분해된다.

2. 검출

2013년에 리튬-헬륨 화합물(LiHe) 분자의 존재가 형광 분광법을 이용하여 처음으로 확인되었다. 이전 연구에서는 ⁷Li⁴He 분자가 약 0.0039 cm⁻¹ (6mK)의 매우 약한 결합 에너지와 28 Å의 결합 길이를 가질 것으로 예측되었다. LiHe와 유사하게 반 데르 발스 결합으로 형성된 헬륨 분자로는 Ag³He 및 He₂ 등이 이미 알려져 있었다. 해당 분자는 1,000에서 5,000 사이의 극저온 헬륨 환경에서 리튬에 레이저 절제를 가하여 생성하는 방식으로 연구되었다.

2.1. 실험 방법

LiHe 분자는 1,000에서 5,000 사이의 온도에서 극저온 헬륨 완충 기체에 리튬 금속을 레이저 절제하여 형성되었다. 생성된 LiHe 분자의 비율은 헬륨 기체의 밀도에 비례했으며, 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다.

LiHe 분자의 검출은 형광을 이용한 방식으로 이루어졌다. 먼저 X²Σ 상태의 리튬 원자를 A²Π 상태로 여기시켰다. 이후 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석한 결과, ⁷Li의 초미세 구조로 인해 각각 두 개로 갈라진 한 쌍의 선이 관찰되었다. 이 선들의 파수는 각각 14902.563, 14902.591, 14902.740, 14902.768 cm⁻¹였다. 두 쌍의 선은 0.177 cm⁻¹ 간격으로 떨어져 있었는데, 이는 LiHe 분자가 가지는 두 가지 다른 진동 상태인 1/2과 3/2에 해당한다. 원자 간 결합 에너지가 약 6mK로 매우 약하기 때문에, 분자는 분해되지 않고서는 어떠한 회전이나 더 큰 진동 에너지를 견딜 수 없다. 가장 낮은 회전 상태의 에너지는 약 40mK 및 80mK로 추정되는데, 이는 결합 에너지보다 훨씬 크다.

2.2. 스펙트럼 분석

LiHe 분자는 형광을 이용하여 검출되었다. 이 과정에서 리튬 원자를 X²Σ 상태에서 A²Π 상태로 레이저를 이용해 여기시켰다. ⁷LiHe의 스펙트럼 분석 결과, ⁷Li의 초미세 구조로 인해 각각 두 개로 갈라진 한 쌍의 선이 관찰되었다. 이 선들의 파수는 각각 14902.563, 14902.591, 14902.740, 14902.768 cm⁻¹로 측정되었다. 두 쌍의 선은 0.177 cm⁻¹만큼 떨어져 있는데, 이는 LiHe 분자가 가질 수 있는 두 가지 다른 진동 상태, 즉 1/2과 3/2 상태에 해당한다.

LiHe 분자 내 원자 간의 결합 에너지는 약 0.0039 cm⁻¹ (6 mK)로 매우 약하다. 이 때문에 분자는 분해되지 않고서는 어떠한 회전 운동이나 더 높은 에너지의 진동 상태를 견딜 수 없다. 실제로 가장 낮은 회전 상태에 도달하는 데 필요한 에너지조차 약 40 mK 및 80 mK로, 결합 에너지보다 훨씬 크다.

3. 성질

LiHe는 극성이며 상자성을 띤다.

3.1. 결합 에너지 및 길이

리튬과 헬륨 원자 사이의 평균 거리는 사용하는 리튬 동위원소에 따라 달라진다. ⁶LiHe의 경우 원자 간 평균 거리는 48.53 Å인 반면, ⁷LiHe의 경우에는 28.15 Å으로 상대적으로 더 짧은 거리를 가진다.

3.2. 동위원소 효과

리튬과 헬륨 원자 사이의 평균 거리는 사용하는 리튬의 동위원소에 따라 달라진다. ⁶LiHe의 경우 원자 간 평균 거리는 48.53 Å이지만, ⁷LiHe의 경우에는 평균 28.15 Å로 훨씬 짧다.

3.3. 원자간 쿨롱 붕괴

LiHe 분자에서 헬륨 원자의 1s 전자가 2s 준위로 여기되면, 그 에너지가 리튬 원자로 전달되어 리튬을 이온화시키면서 분자가 분해된다. 이 현상을 원자간 쿨롱 붕괴라고 한다. 이 과정에서 생성되는 Li⁺ 이온과 He 원자의 에너지는 약 12번 진동하는 형태의 곡선으로 분포하는 특징을 보인다.