헬륨 He

발견의 역사

헬륨은 지구보다 태양에서 먼저 발견된 드문 원소다. 1868년 8월 18일 개기일식 때 프랑스 천문학자 쥘 장상은 태양 홍염의 스펙트럼에서 밝은 노란 선을 관측했다. 같은 해 영국 천문학자 노먼 로키어도 이 선을 연구해 알려진 어떤 원소에서도 나오지 않는 선이라고 판단했고, 화학자 에드워드 프랭클랜드와 함께 태양에만 있는 새 원소를 제안했다.

이후 30년 가까이 많은 화학자가 이를 의심했다. 그러다 1895년 스코틀랜드의 윌리엄 램지가 우라늄 광물 클리브석을 산으로 처리해 얻은 기체에서 같은 노란 선을 확인했다. 비슷한 시기 스웨덴의 페르 테오도르 클레베와 닐스 랑글레도 독자적으로 이 기체를 분리하고 원자량을 쟀다.

1903년 미국 캔자스의 천연가스에서 헬륨이 다량 발견되면서 실험실 속 희귀 물질이 산업 자원이 되었다. 1908년 헤이커 카메를링 오너스가 헬륨 액화에 처음 성공했고, 이 극저온을 이용해 1911년 초전도 현상을 발견했다.

이름의 유래

이름은 태양을 뜻하는 그리스어 helios에서 왔다. 햇빛 속에서 처음 발견되었기 때문이다. '-ium'은 보통 금속 원소에 붙는 어미인데, 로키어가 새 원소를 금속이라고 짐작해 이렇게 붙였다. 원소 기호 He는 이름의 앞 두 글자다. 한국어 이름 '헬륨'은 영어 발음을 그대로 옮긴 것이다.

주요 용도

• 극저온 냉각: 액체 헬륨은 MRI 장비·NMR 분광기·입자가속기의 초전도 자석을 식힌다.
• 부양 기체: 기상 관측 기구·연구용 기구·풍선에 채우며, 불에 타지 않아 비행선에서 수소를 대신했다.
• 호흡용 혼합 기체: 깊은 바다에 들어가는 잠수부는 질소 마취를 피하려고 헬륨-산소 혼합 기체를 쓴다.
• 제조 공정: 용접과 실리콘 단결정 성장 때 산화를 막는 보호 기체로 쓰고, 원자가 작아 미세한 틈도 통과하므로 누설 검사에 쓴다.
• 우주·과학: 로켓 연료 탱크를 가압하고 민감한 검출기를 냉각한다.

동위원소

헬륨의 안정 동위원소는 두 가지다. 자연 헬륨의 거의 전부는 헬륨-4다. 그 원자핵은 방사성 붕괴에서 나오는 알파 입자와 똑같으며, 지각 속 헬륨 대부분은 우라늄·토륨이 수십억 년 동안 알파 붕괴하며 쌓인 것이다. 헬륨-3은 지구에서 매우 드물어 공기에서 얻은 헬륨 100만 개 중 1개 정도다. 중성자 검출기와 절대영도보다 수천분의 1도 높은 온도까지 내리는 희석 냉동기에 쓰이며, 상당량이 삼중수소의 붕괴로 얻어진다.

생활 속 원소

헬륨은 독성이 없지만 산소를 밀어내기 때문에 고압 용기에서 직접 들이마시면 의식을 잃을 수 있다. 풍선 속 헬륨을 마셔 목소리를 바꾸는 장난도 위험이 없지 않다. 목소리가 높아지는 것은 헬륨 속에서 소리가 공기보다 훨씬 빠르게 전달되어 성도의 공명 주파수가 바뀌기 때문이다.

지구의 헬륨은 한정된 자원이다. 한번 대기로 빠져나가면 너무 가벼워 우주로 달아나기 때문에, 특정 천연가스전에서 뽑아내고 가능한 한 회수해 재활용한다.