액체 헬륨
1. 개요
액체 헬륨은 헬륨을 액화시킨 것으로, 1908년 헤이커 카메를링 오너스에 의해 처음 액화되었다. 헬륨 원자 간의 약한 인력으로 인해 매우 낮은 온도에서 액체 상태를 유지하며, 헬륨-4와 헬륨-3은 액화점 이하에서 초유동체로 전이된다. 액체 헬륨-4와 헬륨-3은 0.9 켈빈 이하에서 상 분리를 겪으며, 극저온 냉각 및 연구에 활용된다. 액체 헬륨은 진공 단열된 용기에 보관된다.
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| 다른 이름 | 해당 없음 |
|---|---|
| IUPAC 명칭 | 해당 없음 |
| 계통 명칭 | 해당 없음 |
| 헬륨 | 1 |
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| 어는점 | -269 °C |
|---|---|
| 밀도 | 125 g/L |
| 참고 자료 | 액체 헬륨의 포화 증기압에서의 관찰된 성질 |
| 추가 참고 자료 | 하버드 대학교 안전 부서 |
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헬륨 -
알파 입자
알파 입자는 헬륨 원자핵으로, 불안정한 원자핵의 알파 붕괴 시 방출되는 양전하 입자이며, 낮은 투과력에도 불구하고 체내 흡수 시 위험하고, 핵물리학 연구와 화재 경보기, 암 치료 등 다양한 분야에 응용된다. -
헬륨 -
1868년 8월 18일 일식
1868년 8월 18일 일식은 헬륨이 발견된 중요한 사건으로, 프랑스 천문학자 피에르 장센이 분광기를 통해 태양 홍염에서 헬륨의 존재를 시사했으며, 시암 국왕의 일식으로 알려져 있다. -
1908년 과학 -
1908년 1월 3일 일식
1908년 1월 3일에 발생한 개기 일식은 윌리엄 월리스 캠벨이 이끄는 관측대가 키리바시 플린트 섬에서 관측에 성공했으며, 마셜 제도, 키리바시 일부 섬, 코스타리카 등과 오스트레일리아 북동부, 오세아니아, 미국 남부 등에서 관측되었다. -
1908년 과학 -
1908년 12월 23일 일식
1908년 12월 23일 일식은 혼성 일식으로, 사로스 주기 140, 트리토스 주기, 이넥스 주기, 반년 주기, 메토닉 계열 및 Triad 주기에 속하며, 1908년의 여러 일식 및 월식 중 하나이다. -
저온물리학 -
자기공명영상
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저온물리학 -
액체 산소
액체 산소는 맑은 청록색을 띠는 극저온 물질로 강력한 산화제이며, 산업, 의료, 로켓 추진 등에 사용되며, 1883년 지그문트 브워블레프스키와 카롤 올셰프스키가 최초로 생산했다.
2. 액화
헬륨은 1908년 7월 10일 네덜란드 라이덴 대학교의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스가 처음으로 액화했다. 당시에는 질량 분석기가 발명되기 전이라 헬륨-3은 알려지지 않았다. 액체 헬륨은 극저온 냉매(극저온 냉각기에 사용)로 사용되며, 자기 공명 영상(MRI), 핵자기 공명(NMR), 뇌자도(MEG)에 사용되는 초전도 자석 및 저온 뫼스바우어 분광법과 같은 물리학 실험에 사용하기 위해 상업적으로 생산된다. 거대 강입자 충돌기는 120톤의 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석을 포함하고 있다. 헬륨은 줄-톰슨 효과를 이용한 햄프슨-린데 사이클을 통해서만 액화가 가능하다.
2.1. 액화 초기 역사
1908년 7월 10일, 네덜란드 라이덴 대학교의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스가 헬륨을 처음으로 액화했다. 질량 분석기가 발명되기 전이라 헬륨-3은 알려지지 않았다.
1923년, 카메를링 오너스의 조언을 받은 캐나다 물리학자 존 커닝햄 맥레넌은 액체 헬륨을 대량 생산하는 데 성공하였다.
2.2. 액화 헬륨-3
헬륨-3 원자는 페르미온이며, 매우 낮은 온도에서 두 개의 원자로 이루어진 쿠퍼 쌍을 형성하여 보손이 되고 초유체로 응축된다. 이러한 쿠퍼 쌍은 원자 간 간격보다 상당히 크다.
3. 성질
헬륨 원자 간의 인력이 약하기 때문에 액체 헬륨을 생성하는 데 필요한 온도가 낮다. 헬륨의 이러한 원자간 힘은 헬륨이 불활성 기체이기 때문에 처음부터 약하지만, 양자 역학의 영향으로 원자간 인력이 더욱 감소한다. 이는 약 4 원자 질량 단위의 낮은 원자 질량을 가진 헬륨에서 중요하다. 액체 헬륨의 영점 에너지는 원자가 이웃에 의해 덜 제한될 때 더 적다. 따라서 액체 헬륨에서 바닥 상태 에너지는 평균 원자간 거리가 자연적으로 증가하여 감소할 수 있다. 그러나 더 큰 거리에서는 헬륨의 원자간 힘의 영향이 훨씬 더 약해진다.
헬륨의 매우 약한 원자간 힘으로 인해, 이 원소는 액화점에서 절대 영도까지 대기압에서 액체 상태로 유지된다. 액체 헬륨은 매우 낮은 온도와 높은 압력에서만 고화될 수 있다.
3.1. 헬륨-4와 헬륨-3의 혼합
액체 헬륨-4와 희귀한 헬륨-3은 0.9 켈빈(K) 이하의 포화 증기압에서 완전히 혼합되지 않는다. 이 온도에서 두 동위원소의 혼합물은 주로 헬륨-3으로 구성된 일반 유체와 주로 헬륨-4로 구성된 밀도가 높은 초유동체로 상 분리를 겪는다. 이러한 상 분리는 액체 헬륨의 전체 질량이 분리하여 열역학적 엔탈피를 감소시킬 수 있기 때문에 발생한다.
극도로 낮은 온도에서 헬륨-4가 풍부한 초유동체상은 최대 6%의 헬륨-3을 용액에 포함할 수 있다. 이를 통해 몇 밀리켈빈(mK)의 온도에 도달할 수 있는 희석 냉장고의 소규모 사용이 가능합니다.
3.2. 초유동
액화점 이하의 특정 온도에서 헬륨-4와 헬륨-3은 초유동체로 전이된다. 초유동 헬륨-4는 일반 액체 헬륨과 상당히 다른 특성을 보인다. 초유동 상태에서는 열전도율이 매우 높아 액체 내부가 아닌 표면에서만 기화가 일어난다.
헬륨의 초유동성은 롤린 막 현상으로 관찰할 수 있는데, 이 현상은 얇은 막이 용기 벽을 타고 올라가 컵 바깥으로 흘러내리는 현상이다.
4. 데이터
5. 역사
1908년, 카메를링 오네스는 소량의 헬륨 액화에 성공했다. 1923년, 그는 캐나다 물리학자 존 커닝햄 맥레넌에게 조언을 제공했는데, 맥레넌은 거의 원하는 대로 액체 헬륨을 생산한 최초의 인물이었다.
1932년 아인슈타인은 액체 헬륨이 원자 폭탄을 만드는 데 도움이 될 수 있다고 보고했다.
액체 헬륨의 특성에 대한 중요한 초기 연구는 소련 물리학자 레프 란다우에 의해 수행되었으며, 이후 미국 물리학자 리처드 파인만에 의해 확장되었다.
1961년, 비그노스와 페어뱅크는 감마상으로 지정된 고체 헬륨-4의 다른 상의 존재를 보고했다. 이는 1.45K와 1.78K 사이의 좁은 압력 범위에서 존재한다.
7. 갤러리
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