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액체 헬륨

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목차

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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액체 헬륨 - [화학 물질]에 관한 문서
개요
투명한 [[사발]] 안의 액체 헬륨, [[람다점]] 이하로 냉각되어 [[초유동성]]의 성질을 보임
투명한 사발 안의 액체 헬륨, 람다점 이하로 냉각되어 초유동성의 성질을 보임
다른 이름해당 없음
IUPAC 명칭해당 없음
계통 명칭해당 없음
성질
헬륨1
기타 정보
어는점-269 °C
밀도125 g/L
참고 자료액체 헬륨의 포화 증기압에서의 관찰된 성질
추가 참고 자료하버드 대학교 안전 부서

2. 액화

헬륨은 1908년 7월 10일 네덜란드 라이덴 대학교의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스가 처음으로 액화했다.[10] 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.[2] 헬륨은 줄-톰슨 효과를 이용한 햄프슨-린데 사이클을 통해서만 액화가 가능하다.[11]

2. 1. 액화 초기 역사

1908년 7월 10일, 네덜란드 라이덴 대학교의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스가 헬륨을 처음으로 액화했다.[10] 질량 분석기가 발명되기 전이라 헬륨-3은 알려지지 않았다.[2]

1923년, 카메를링 오너스의 조언을 받은 캐나다 물리학자 존 커닝햄 맥레넌은 액체 헬륨을 대량 생산하는 데 성공하였다.[6]

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.[1]

3. 성질

헬륨-4의 상 평형 그림


상 평형 그림에서 액체 헬륨 3과 4 동위원소, 혼합 분리 영역 표시


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.[1]

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]

3. 1. 헬륨-4와 헬륨-3의 혼합

액체 헬륨-4와 희귀한 헬륨-3은 0.9 켈빈(K) 이하의 포화 증기압에서 완전히 혼합되지 않는다.[5] 이 온도에서 두 동위원소의 혼합물은 주로 헬륨-3으로 구성된 일반 유체와 주로 헬륨-4로 구성된 밀도가 높은 초유동체로 상 분리를 겪는다.[4] 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.[5]

3. 2. 초유동

액화점 이하의 특정 온도에서 헬륨-4와 헬륨-3은 초유동체로 전이된다.[1] 초유동 헬륨-4는 일반 액체 헬륨과 상당히 다른 특성을 보인다. 초유동 상태에서는 열전도율이 매우 높아 액체 내부가 아닌 표면에서만 기화가 일어난다.

람다 전이: 온도가 전이점인 2.17 K 이상인 액체 헬륨에서는 기포가 액체 안에서 생기는 형태로 끓는다.


2.17 K 이하의 초유동상에서는 열전도율이 매우 커진다. 이것에 의해 액체 안의 열은 빠르게 액면까지 운반되므로 기화는 액체의 자유 표면에서만 일어난다. 따라서 액체 안에는 기포가 나타나지 않는다.


헬륨의 초유동성은 롤린 막 현상으로 관찰할 수 있는데, 이 현상은 얇은 막이 용기 벽을 타고 올라가 컵 바깥으로 흘러내리는 현상이다.

4. 데이터

액체 헬륨의 성질
헬륨-4헬륨-3
임계 온도5,2003,300
한 기압(표준 대기압)에서의 끓는점4,2003,200
최소 융해 압력25 bar300에서 29 bar
포화 증기압에서의 초유동성 전이 온도2,170[16]자기장이 없는 경우 1,000[17]


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.[6]

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]

6. 보관

액체 헬륨은 진공 단열된 금속 용기에 보관되며, 이송에는 전용 트랜스퍼 튜브를 사용한다.[18]

7. 갤러리

액체 헬륨이 초유체 상태에 있다. 얇고 보이지 않는 막이 그릇의 내부 벽을 타고 올라가 바깥쪽으로 내려온다. 방울이 형성된다. 이는 아래 액체 헬륨으로 떨어질 것이다. 액체가 초유체 상태를 유지하는 한 컵이 비워질 때까지 이 과정이 반복될 것이다.


천천히 기화하는 듀어 병 속의 액체 헬륨


8. 활용

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.[2] 거대 강입자 충돌기는 120톤의 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석을 포함하고 있다.[2] 한국에서는 기초과학연구원(IBS) 등에서 액체 헬륨을 활용한 연구가 이루어지고 있다.

참조

[1] 웹사이트 The Observed Properties of Liquid Helium at the Saturated Vapor Pressure http://pages.uoregon[...] University of Oregon 2004
[2] 웹사이트 Cryogenics: Low temperatures, high performance https://home.cern/sc[...] CERN 2023-06-28
[3] 논문 Refrigeration and Air-Conditioning 2004
[4] 논문 Phase Separation of Liquid 3He–4He Mixtures: Effect of Confinement 1995-01-16
[5] 논문 Solubility of He3 in Liquid He4 at 0K
[6] 웹사이트 THE LIFE OF SIR JOHN CUNNINGHAM McLENNAN Ph.D, F.R.S.C, F.R.S., O.B.E., K.B.E. (1867 - 1935) http://www.physics.u[...] University of Toronto Physics
[7] 논문 New Solid Phase in H4 https://link.aps.org[...] 1961-03-15
[8] 서적 The Superfluid Phases of Helium 3 Taylor and Francis
[9] 웹사이트 Liquid Helium http://safety.seas.h[...] 2010-04-02
[10] 서적
[11] 서적 An Introduction to Thermal Physics Addison Wesley Longman
[12] 논문 Solubility of He3 in Liquid He4 at 0°K
[13] 서적
[14] 서적
[15] 서적
[16] 서적
[17] 서적 The Superfluid Phases of Helium 3 Taylor and Francis
[18] 웹사이트 安全のための手引 第4章 電気、ガス、レーザー、工作機等の取扱い https://www.nagaokau[...] 長岡技術科学大学 2023-04-27
[19] 웹사이트 Liquid Helium http://www-safety.de[...] 2007-09-12


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