5월의 작은 선인장

백마탄환자님 블로그에서 보고 가져옵니다.
저의 생년월일로 저의 원소기호를 분석한 결과....

저의 원소기호는 4번 Be 입니다.

이거 생각보다 정확한걸요......
물론 점술은 통계학에서 연유합니다만....
이정도로 정확하면 기분이 아주 나빠집니다. -_-

저와 잘 맞는다는 여자분 계시면 연락좀 해주세요.

전 백마탄환자님과는 별로 안 맞는군요. ^^;;;; 뭐 백마탄환자님은 남자분이시니까 애초에 가능성은 없었지만.... ㅋㅋ

음...... 나와 서로 잘 맞는 사람은 남자들 중에도 못 찾았어요. ^^;


ps. 이 글로 엮인글이 몇개나 갈 수 있나 시도해 봤더니 23개까지 가고, 24개째부터는 안 가는군요. 아마도 스팸트랙백 엮는 것을 막기 위해서 개수 제한을 서정했나보네요. ㅎㅎㅎ

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[펌/수정]

1. 발견자 : 아담

2. 원소기호 : Wo(원형:woman)

3. 원자번호 : 5번
원자번호는 이전에는 알려져 있지 않았으나 10여년 전 어떤 영화감독이 과감히 5번이라고 주장! 현재는 과학자들 사이에서 의견이 분분함.

4. 원자량 : 45kg으로 통하고 있지만 실은 35kg 부터 85kg까지의 안정된 동위원소가 존재한다.
실제로는 100kg~200kg에 달하는 불완전한 동위원소가 존재하기도 한다.

5. 물리적 특징
1) 표면이 대게 색깔이 있는 엷은 가루막(화장, 분장, 변장)
2) 별 것 아닌 것에 끓고(비등점), 이유없이 언다.(빙점)
3) 적절하게 가공처리하면 다시 녹는다(융점).
4) M(Man이라는 원소)에 비해서 밀도는 낮으면서도 압력에 강하게 반발하는 특징이 있다.(비압축성)
5) Wo 다수개가 모이면 심하게 공명하는 특징이 있다.(수다)
6) 오랜 시간이 지나면 자연스럽게 A(auntie라는 원소)로 β붕괴 하여 주변의 Wo와 M을 밀어낸다.(아줌마)

6. 화학적 특징
1) 엄청난 양의 값비싼 물질을 흡수하는 능력이 있다.
2) 액체엔 용해되지 않으나 알코올을 흡수함으로써 Activation Energy가 엄청나게 증가한다.
3) 금, 은, 백금 그리고 보석과 엄청난 친화력을 가지고 있다.
4) 빛이 차단된 실험관에 Wo와 M을 넣으면 매우 격렬하게 1:1로 발열 반응을 한다.  (심하면 실험관이 깨진다.)
5) 요즘 연구된 바에 의하면 M 이 원소붕괴를 하여 Wo로 되는 경우가 있다.
6) 번개를 매우 적절히 조사하면 자기복제 현상이 벌어지기도 한다.(처녀생식)
7) Wo는 이종(M)친화도가 큰 편인데 A는 전자친화도가 커서 어떤 상황에서도 전자(Ch, 원형:children)를 놓지 않으려고 한다.

7. 주의할 점
1) 취급에 능수능란하지 않을 경우 매우 위험하다!
2) 특정 상황 이외에서 둘 이상을 소유하는 것은 목숨을 위태롭게 한다 ... .
3) M만으로 이뤄진 cluster에 Wo를 하나 추가하면 Wo가 촉매작용을 해서 효율이 급격히 상승한다.
4) 원소주기율표에서는 아직 정확한 위치가 규명되어 있지 않다. (수소(H)와 비슷한 경우임)

※ 결혼이라는 문턱에너지를 가해주면 M과 결합하여 WoM(신혼부부)이라는 매우 안정적인 공유결합 화합물을 이루나 시간이 지나서 Wo가 A로 β붕괴하여 화합물이 AM(부부)으로 바뀌면 갑자기 (전자(Ch)를 두 원자 사이에 공유하는) 배위결합 화합물로 바뀌면서 불안정해 질 경우가 있다.

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원소와 원자의 차이
(einbert님 요청글)

원자(Atom)와 원소(Element)의 차이는 무엇일까?
사실 그리 어렵지 않은 이 질문이 어른들에게도 어렵게 느껴지는 것은 중고등학교에서 화학을 공부할 때 주입식 공부를 했기 때문으로 생각됩니다. ^^

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원자란 것은 물질을 구성하는 기본단위이다. 물질을 구성하는 기본단위는 소립자(렙톤과 쿼크) 수준까지 내려가지만 렙톤과 쿼크 자체로 물질을 다루는 것은 거의 불가능하므로 우리가 다를 수 있는 수준에서의 기본 구성 단위라고 생각하면 된다.

처음 원자를 생각해 낸 사람은 그리스의 철학자 '데모크리토스'다. 이 사람은 물질을 절반으로 나누고, 그것을 다시 절반으로 나누고..... 식으로 무한히 반복된다면 어떻게 될까 하는 생각을 하다가 물질의 성질이 변하지 않는 가장 작은 것이 존재하게 될 것이라는 사유를 하게 됐고, 그래서 물질의 성질이 변하지 않는 가장 작은 것을 아톰이라고 명명 했다. (기본적으로 데모크리토스의 생각에 부합하는 것은 원자가 아니라 분자이지만... 당시에는 (뿐만 아니라 연구가 진행되는 동안) 분자가 알려지지 않아서 원자라는 단위를 사용했다.)

원소들은 성질이 같은 원자들끼리 분류해 놓은 것을 말한다. 분류의 개념이므로 추상적인 개념으로 현실적으로는 존재하지 않는다고 볼 수 있다. ㅎㅎㅎㅎ (뭐 말하자면 그것도 존재하는 것이지만..^^)
원소에 대해 좀 더 자세히 연구된 것은 돌턴에 의해서였는데, 돌턴은 중세시대에 연급술로 발전하게 된 화학 지식을 발전을 토대로 원자의 정확한 정의를 내리고 몇몇 원소들을 발견(?:규명)하게 됨으로서 초기의 화학이 발전하게 됐다. 물론 이러한 발전이 있는 동안은 유럽이 천제들의 시대라고 불렸던 르네상스 시대였으니 할 이야기도 많지만.... 전부 생략하기로 한다. (이건 순전히 내 맘이다. ㅎㅎㅎㅎ 여기서 자세히 이야기하면 꼭 이야기할 사람만 수십 명이나 된다. 물론 모두 천재들.. TT 이 천재들에 대해서는 나중에 한번 꼭 이야기하고 싶다.)

원소를 최초로 정리한 사람은 원소주기율표를 만든 '맨델레예프'다. 그 당시 알려졌던 원소들의 성질을 원자질량 순서로 배열한 후 직감적으로 통찰하여 원소 주기율표를 만들었으며, 몇몇 빠진 자리와 잘못된 자리를 바로잡기도 했다. 물론 맨델레예프의 주기율표가 몇군데 잘못된 부분이 있긴 했어도, 이는 중요한 것이 아니며, 원소들의 성질이 일정한 규칙을 따라 변화됨을 밝혀낸 것이 중요한 업적이라고 할 것이다.
원자들에 대해서 제대로 연구가 진행된 것은 먼 훗날, 20세기에 들어서부터이며 러더퍼드가 1900년에 발표한 원자가설을 출발로 볼 수 있다. 그 뒤 1913년 보어의 양자가설에 의한 수소원자 설명으로 원자이론의 혁명기를 맞이했으며, 디랙에 의해서 원자모형이 상대론과 양자역학을 고려됨으로서 현대의 원자모형이 나타나게 됐다.
자세한 내용들은 무척이나 복잡한 수식들(나도 완전히 잃어버렸다. -_-)을 통해서 계산되는 결과이므로 이 글에서는 바람직하지 않다고 생각되며(?) 이 글에서는 그 결과만을 따져보기로 한다.

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원자를 구성하는 원자핵과 전자

20세기 초에 원자를 연구한 결과 원자는 중심부에 질량이 집중되어 있는 원자핵과 넓은 공간에 구름처럼 분포되어 있는 전자로 구성되어 있다는 것이 알려지게 됐다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있으며, 양성자와 중성자의 개수에 따라서 원자의 특성이 결정된다. 양성자의 개수가 원자핵의 전하를 결정하므로 전자구름을 구성하는 전자의 개수도 양성자의 개수의 영향을 받는다고 할 수 있다.
결국 일반적으로 원자의 종류의 결정은 양성자의 개수에 따라서 99%는 결정된다고 볼 수 있다.

원자핵의 양성자에 따라서 전자구름의 모양에 따라서 원자의 특징이 바뀌게 되면서 우리가 보고 있는 수많은 물질을 구성하게 된다. 전자가 화학적으로 갖는 복잡한 성질들은 글 하나로 말할수 없을만큼 이루 복잡한 면이 있다.

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전자껍질의 규칙
전자껍질의 규칙을 살펴보기 위해서는 주양자수라는 것을 알아야 한다. 이 주양자수는 전자에 대한 슈뢰딩거의 파동방정식을 수소원자에 적용시키면 계산상의 한 과정에서 나타나는 숫자이다.
이 주양자수는 n으로 나타내며 1부터 시작하여 2,3,4,5.... 등의 자연수로 커진다. 대체적으로 원자핵과의 거리 순수대로 주양자수가 증가하며, 주양자수가 증가하면서 에너지 포텐셜이 증가해서 그만큼 원자로부터 전자가 잘 떨어져 나간다.
가장 바깥쪽의 껍질에 들어가게 되는 전자를 최외각전자라고 한다. 최외각전자는 화학결합에 관여하는 중요한 위치이다. (물론 화학결합이 그렇게 간단하지는 않다. ^^;)

전자부껍질의 규칙
전자부껍질은 전자껍질 내에서 다시 미세하게 구조가 나뉘는 것을 말한다.
순전히 계산상으로만 나타나는 이 숫자의 특성 때문에 원자의 특성이 결정된다는 것이 참 재미있다. ^^
부양자수는 1,3,5,7,9,.... 등등의 홀수로만 이루어져 있다.
이 주양자수는 한 개의 전자껍질에 들어가는 전자가 들어갈 수 있는 방의 개수를 나타낸다.

복잡한 전이원소 규칙들과 훈트의 규칙...!!
전이원소는 8개의 옥테트 규칙을 따르지 않는(?) 원소들을 이야기한다. 뭐 좀 이야기가 틀리는데...
한 전자껍질에 들어가는 전자들의 개수가 8개를 넘어가게 되는 원소들을 일컷는 말이다.
부양자수의 개수만큼 생기는 방에 보통은 전자들이 낮은 에너지의 방부터 차곡차곡 쌓이는데, 전자의 개수와 방의 개수가 일치하는 순간 전자들은 에너지순위를 무시하고 한 방에 한개씩만 들어가게 된다. 이를 훈트의 규칙이라고 한다. 훈트의 규칙은 전이원소의 화학적 성질을 무척 복잡하게 하는 한 요인이 된다. -_-;;;

이상의 원자껍질 관련 내용은 다른 글에서 자세히 언급하고자 한다.

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원소는 흑인종, 황인종, 백인종, 원자는 사람 개개인이다.
원자를 분류하는 기준을 우리는 원소라고 한다. 위에서 이미 언급했듯이 원자란 한 개의 직접적이고 구체적인 대상들을 일컫는데 비해서 원소는 분류적인 개념이고, 추상적인 개념이다. 수소라는 원소로 분류될 수 있는 원자는 모두 세가지가 있다. 양성자 한 개를 원자핵으로 갖고 있는 원자들(H, 보통 이를 수소라고 말한다.)과 양성자 한 개와 중성자 한 개를 원자핵으로 갖고 있는 원자들(D, 중수소라고 말한다.)과 양성자 한 개와 중성자 두 개로 이루어진 원자들(T, 삼중수소라고 말한다.)이 그들이다. 양성자가 두개가 되면 이는 수소가 아닌 헬륨이 되므로 이미 다른 원소가 되는 것이다.
예를 들어 원자번호 1번인 수소를 흑인종이라 한다면 원자번호 2번인 헬륨을 황인종, 원자번호 3번인 리튬을 백인종 등등으로 비교할 수 있을 것이다. 흑인종 중 한 사람을 뽑았다면 수소중 한 원자를 뽑은 것과 같은 행동이라 할 수 있다.

동위원소, 동중원소
이처럼 같은 원소라도 원자핵을 구성하는 소립자들(핵자라고 이야기한다.) 즉 중성자의 숫자가 달라질 수 있다. 양성자의 개수가 똑같으므로 화학적인 성질은 거의 완전히 일치하지만 중성자의 개수의 차이만큼 원자의 질량이 차이가 나게 되고, 결국 물리적인 성질이 틀려지는데 이를 동위원소라고 한다. 반면 양성자의 개수와 중성자의 개수가 일치하지만 양성자의 개수는 다른는 원소들이 있는데 이 원소들은 화학적인 성질이 틀리다. 그래서 이러한 원소를 동중원소라고 한다.

동위원소는 일상생활 속에서도 많이 접했을 것이다.
원자력발전에 쓰이는 우라늄과 원자폭탄에 쓰이는 우라늄의 경우 우라늄원소의 동위원소의 쓰임새가 다른 경우이다.
한참 북한의 원자력발전소에 대해 이슈가 되던 때에 화자되던  경수로 원자로와 중수로 원자로의 경우 우라늄에서 나온 중성자를 감속시키는 데 필요한 물을 어떤 물을 사용했느냐에 따라 구분하는 것이다. 중수(D₂O)와 경수(H₂O, 일반적인 물).....에 따라서 이름도 틀려진다. ^^
일반적인 연대측정 방법인 탄소연대측정방법도 동위원소를 이용한 것이다. 시간이 지나면 질소로 변하는 탄소 동위원소의 양과 안정적인 탄소 동위원소의 양을 측정함으로서 얼마나 오래 전에 생성된 물질인지(유기물의 경우) 연대를 측정할 수 있는 것이다.
일반적으로 동위원소를 분리해 내는 것은 원심분리기의 원리를 사용하는데 기술적으로 쉽지 않다.
(그래서 원자폭탄을 개발한 나라가 세계적으로 많지 않은 것이다.)

동중원소는 일상 생활에서 그리 접할 기회가 없다.
예로 들자니 일상생활 속에서 들 예가 별로 없는 것 같다.

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원자핵에 대한 연구는 아직도 초보단계.....
원소를 다루기 위한 전자의 성질들은 비교적 초기부터 세부적으로 연구됐었다. 그래서 지금도 설명하기 벅찬 전자들의 정확한 계산을 통해서 관련 계산을 소수 6~7자리까지(충분히 필요한 수준으로) 정확히 계산할 수 있다.
하지만 원자핵에 대해서는 아직 연구가 된 것이 거의 없다. 원자핵 속에서 핵자들이 어떻게 움직이는지? 위치가 어떤지 등등 계산은 무척이나 복잡한데다가 핵자들의 숫자가 많다보니 50여년간 연구가 거의 제자리걸음이었다. 아주 간단한 핵자 하나에 대한 계산도 전문 박사들이 A4용지 수백장씩 써야 겨우 계산될 정도였다 하니 그 연구의 어려움을 익히 알만하다.
이러한 어려움을 조금이나마 해결한 사람이 마지막 과학자라고 일컬어지는 리차드 파인만의 업적중 하나이다. 리차드 파인만은 이 문제의 해결을 위해 파인만 다이아그램이라는 도식을 생각해 내고 이를 이용해서 웬만한 핵자 계산을 A4용지 서너장 분량으로 줄일 수 있는 획기적인 방법을 발견했던 것이다. 하지만 그러한 진보가 있었음에도 불구하고 아직까지도 핵자의 표준모델조차 연구되지 못하고 있다. 그 난이도가 얼마나 어려운지 상상을 초월하는 듯....!!!
연구가 제대로 되지 못하는 중요 이유중 하나는 아직도 물리학자들이 '강력'에 대한 이해가 충분하지 못한 것도 주요 원인이다.

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원자들의 모임 분자
대부분의 원자들은 혼자 독립적으로 있을 경우보다 다른 원자들이랑 붙어있는 경우가 에너지적으로 더 안정적이다. 원자들의 최외각 전자가 8개일 경우 에너지적으로 매우 안정적인데(수소와 헬륨 제외) 일반적으로는 8개가 아니기 때문에 8개가 되고자 하는 경향 때문에 다른 원자들과 최외각전자의 개수를 맞추어 결합하려고 한다. 최외각전자가 적은 경우는 떼어버리려는 성향이 강하고, 최외각전자가 많은 경우는 다른 원자가 떼어낸 원자를 받아들여서 8개로 맞추려고 하는 것이다.(꼭 그런것만은 아니다. 전체적으로 상대적이기 때문이다.) 딱 반인 4개를 갖고 있는 탄소나 규소의 경우에는 버리는 것과 받는 것이 거의 비슷한 안정성을 갖기 때문에 어떠한 경우의 결합도 가능하다. 하지만 탄소나 규소의 경우는 전자를 완전헤 떼어주거나 받아오는 경향보다는 공동으로 소유하는 경우가 더 많다.
이렇게 여러개의 원자들이 합해진 것을 우리는 분자라고 한다. 원자는 더이상 쪼갤 수 없는 입자라고 한다면 분자는 성질의 변화가 없이 더이상 쪼갤 수 없는 최소의 입자라고 해야 할 것이다.(데모크리토스가 말한 원자의 개념이다.)

한 개의 원자가 분자가 된 경우는 흔치 않는데 헬륨기체나 네온기체 등을 예로 들 수 있다. 이 두 원소는 다른 어떠한 원자와도 반응하지 않고 독립적으로 존재한다. (헬륨에 대한 성질은 매우 다양하고 재미있으므로 다른 글에서 언급하고자 한다.)
일반적인 공기분자는 자기와 똑같은 원자와 붙어 분자를 이룬다. N₂, O₂, F₂ 등등....
우리 주변에서 가장 거대한 분자들은 탄소화합물을 들 수 있다. 분자량은 거의 무한대(∞)라고 볼 수 있을 정도로 거대하다. 탄소 화합물은 생명의 본질을 이루는 기본적인 유기물이기도 하다. 또한 규소화합물도 매우 거대한 분자를 이룬다. 일부 학설에는 규소화합물로 생명체가 탄생한 다음 규소가 탄소로 치환되는 진화과정을 거처 원시적인 생명체가 생겨났다는 학설도 있다.
매우 잘 알려진 사실이지만 매우 많은 탄소나 규소 원자로 이루어진 단일 화합물의 경우 흑연이나 다이아몬드나 수정이 되기도 한다.
분자의 구분이 모호한 경우도 있는데, 금속의 경우나 이온화합물의 결정에서는 구성물질의 비율만 일정할 뿐이지 전체의 규모가 매우 변동적이어서 명확히 분자라 하기도 뭐한 경우라고 하겠다. 보통 소금의 분자식을 NaCl로 표시하는데 좀 더 정확히는 Na_∞Cl_∞로 해야 할 것 같다.
생명의 중요 암호를 쥐고 있는 DNA의 경우는 더욱 더 복잡한 분자구조를 갖고 있다. 이러한 무기적인 물질들이 모여 생명을 이룬다고 생각하면 흥미롭기 그지없다. ^^

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원자와 원소의 개념정리는 고등학교 화학의 출발점에서 매우 중요하다. 화학을 어렵게 느끼는 사람이 있다면 원자와 원소에 대한 첫번째 단추부터 잘못 채우면서 공부한 것이 아닌지 뒤돌아볼 필요가 있다.

이 글은 원자와 원소의 전반적인 이야기로써 고등학교 화학에 대한 기초적인 지식부터 시작해서 물리적 지식에 이르기까지 최대한 작성하려고 노력했다.
이 글을 충분히 숙지했다면 원소주기율표의 성질들(꽤 많죠... 질량, 크기, 원자가, 전자친화도 등등에 대한 변화특성들)을 전자기학을 고려하여 사색해 본다면 고등학교 화학1에 대해서는 공부할 것이 거의 없을 것이다.

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과학짧은글

헬륨에 대해서 알아본다. 사실 내용이 너무 어려워질까 겁이 나긴 하다. 나도 이 글을 쓰고 나 자신도 몰라보면 어쩌지??? ㅋㅋㅋㅋ

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1. 이상기체에 가장 근접한 실제 기체
이상기체의 중요 요건은 두 가지가 있다. 상태방정식(P V = n R T , 압력X부피 = (기체 몰 수)X기체상수X절대온도)을 따라 정확히 반응하는 기체를 이상기체라고 하는데, 실제 기체는 이상기체와 같이 반응할 수 없다. 실제 기체는 원자 혹은 분자 하나하나가 부피를 차지하고, 원자 혹은 분자들 사이에 (어떠한 종류의 힘이든지) 인력이 존재하기 때문이다.
사람들은 그래서 두 가지 방향으로 연구를 해 왔는데, 하나는 이상기체에 근접하는 실제기체를 찾는 것이었고, 두 번째는 실제기체가 반응하는 방정식을 찾는 것이었다.

이상기체와 가장 근접한 반응을 하는 기체는 헬륨이다. '온도'와 '압력과 부피의 곱'의 관계를 살펴보면 다음과 같다.
헬륨은 비례한다. 물론 기울기가 아주 작으므로 이상기체를 위한 연구에 사용될 수 있다.
헬륨 이외에 가장 가까운 기체는 수소기체인데, 수소기체는 비례하지 않고 온도가 낮을 때는 좀 내려가다가 온도가 올라가면서 점차 비례하게 상승한다. 수소기체도 이상기체를 위한 연구에 사용될 수 있는데, 낮은 온도에서는 사용될 수 없다. 아주 온도가 낮을 때에 불규칙하게 변화하는 것이 불균일하게 나타날 수 있기 때문이다.

실제 기체의 반응 방정식은 많이 알려져 있는데, 가장 유명한 반응식은 반데르 발스의 상태방정식이란 것이 있다. 정확한 것은 아니지만 비교적 간단하고 사용하기가 편하다.
반데르 발스는 기체와 액체의 상태에 대한 논문으로 1910년 노벨물리학상을 받은 학자였다. 그의 연구는 극저온에서의 물질의 연구와 현재 박막 제작에 많이 쓰이는 흡착 등에 대한 논문으로 유명하다. 밑의 식이 반데르발스의 상태방정식이다.


n:기체의 몰수, R:기체상수, T:온도(K), P:압력, V:부피, b:기체분자 1개의 부피, a:상수
여기서 기체 종류에 따라서 a, b 값이 틀려진다.

2. 기체 중에 밀도가 가벼워 풍선에 이용되는 원소
헬륨하면 가장 먼저 떠오르는 것이 놀이공원에서의 알루미늄 풍선일 것이다. 아이들이 들고 다니다가 놓치면 하늘로 두둥실 날아 올라가는 풍선의 안에는 헬륨가스가 들어있다. 이 알루미늄 풍선은 시간이 지나면 점차 주글주글 해지다가 결국 하늘로 날아오르지 못하게 되는데, 그 이유는 헬륨이 점차 빠져나가기 때문이다. 왜 헬륨이 빠져나갈까??? 장사꾼들이 1회만 사용하게끔 헬륨을 빠져나가게 만들기 때문이다 농담이고, 왜 그런지는 뒤에 다시 살펴보자 ^^*.
헬륨의 가장 잘 알려진 특징 중 한 가지는 바로 밀도가 작다는 것에서부터 출발하는 것인데, 소리가 가볍게 들린다는 것이다. 여러분들도 한두 번쯤은 헬륨풍선에서 헬륨을 마신 뒤에 이야기하면 가벼운 아이의 목소리나 여자의 목소리(여성이라면 소프라노 목소리)로 들리는 것을 경험했을 것이다. 이는 기체의 중요 특성인 에너지 분배의 법칙과 온도가 일정하면 기체분자의 특징에 관계없이 그 기체분자가 갖는 평균에너지는 일정하다는 법칙이 작용된다. 어차피 하나의 헬륨원자나 일반 공기분자(거의 질소나 산소 분자)가 갖는 평균에너지가 일정하다고 하면 그 분자가 갖는 속도는

의 관계식을 만족할 것이고, M이 작다면 V가 클 것을 예상할 수 있다. 따라서 같은 사람의 성대라면 성대 안에서 흐르는 소리의 속도는 더 무거운 일반 공기분자보다 상대적으로 훨씬 가벼운 헬륨원자에서 공명을 많이 하게 되고(성대 안을 소리가 왕복하는데 시간이 짧게 걸리기 때문에...), 결국 아이의 목소리나 여자의 목소리로 변성 되어 들리게 되는 것이다. 다 아시겠지만 한 번 계산해 보면.... 질소 원자는 원자량이 14이고, 산소는 16이며, 이 두 기체는 2원자분자이므로 각각의 분자량은 28~32가 될 것이다. 공기 구성성분이 “질소 4 : 산소 1” 정도이므로 평균적인 공기분자의 분자량은 28.8이 되며, 헬륨의 분자량(4)보다 약 7배 정도 더 무겁다는 결론이다. 헬륨원자가 성대에 차게 되면 일반 공기보다 소리의 속도가 약 2.5배가 되며, 진동수는 거의 두 배 이상으로 늘어나게 되는 것이다.
이 글을 쓰면서 걱정이 되는 것은 지나친 장난은 여러분을 위험에 빠트릴 수 있다는 것이다. 헬륨은 기체이며, 보통의 공기 중에도 존재하지만(성분비 0.1% 미만) 여러분들이 호흡하는 데에는 전혀 도움을 주지 못한다. 헬륨을 짧은 시간에 과도하게 흡입할 경우 몸의 일부(특히 뇌) 혹은 전체에 치명적인 산소결핍이 발생할 수 있으며, 심하면 사망할 수도 있다는 것이다. (2003년에 한강 둔치에 떨어진 애드벌룬 속에 장난친다고 들어갔던 아이 5명이 한꺼번에 질식사 하는 사고가 발생한 적이 있다. 다시 강조하지만.. 절대로 어린이들끼리만 할 실험은 아닌 것이다. 꼭 어른들을 동행하여 실험할 것을 부탁한다.) 그래서 시중에서 파는 대부분의 헬륨풍선은 산소 20%가 포함되어 있다. 이는 풍선의 효율성은 떨어뜨리지만 잘못하여 헬륨을 마시고 질식사하는 사고를 방지하기 위한 고육지책이다.


헬륨은 1개의 원자가 1개의 분자로 되어있는 비교적 특이한 1원자 분자들이다. 이는 0족 원소들의 중요한 특징인데, 절대 다른 분자들과 반응하지 않는 다는 특징이 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 언급하도록 하자.


3. 화학적 안정성
헬륨이 0족 원소라는 것은 바로 위에서 이야기한 적이 있다.
헬륨은 수소기체 이외에 가장 가벼운(밀도가 낮은) 원소이며, 어떠한 다른 원자들과도 결합하지 않는다. 심지어는 자기들끼리도 결합하지 않고, 혼자 떨어져 있기 때문에 1원자 분자를 이룬다.
이러한 성질은 0족 원소들의 공통적인 특징인데 이러한 성질을 갖는 것은 헬륨 이외에도 네온(Neon, Ne)이 더 있다.
램지(William Ramsay)에 의해 0족 원소(Ar)가 처음 발견된 1894년까지만 해도 0족 원소는 절대로 다른 원자와 결합하지 않는다고 생각되었다. 이 생각은 잘 맞아 떨어졌고, 1960년까지는 정설로 전해졌다. 하지만 1960년대 말부터 우연히 0족 화합물이 발견되어 현재에는 꽤 많은 화합물이 알려지게 됐다.
나머지 0족 원소인 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn)은 특별한 환경(온도와 압력을 상온(300K), 상압(1atm) 상태에서 벗어났을 때....)에서 화학반응을 일으킨다는 것이다.

그 이외의 원소의 화합물들이 궁금하신 분들은 밑의 사이트를 들려보시기 바란다.

참고 사이트

4. 동위원소가 질량 3과 4뿐인 원소
동위원소는 질량이 다른 같은 원소를 말하는데, 질량은 원자핵의 양성자와 중성자의 개수를 의미하므로 결국 중성자의 개수가 다른 원소들을 말한다고 할 수 있다. (비슷한 개념으로 동중원소란 것이 있다. 이는 같은 질량을 갖는 원소를 말하는데 중성자와 양성자의 개수를 생각지 않는다.)

헬륨의 경우에 질량이 3인 것과 4인 것 딱 두 종류만 존재하는데, 3인 것은 양성자 2개와 중성자 1개, 4인 것은 양성자 2개와 중성자 2개로 구성된다. 이들의 핵 구조를 잠시 살펴보면 재미있는 양상이 나타난다. 핵을 구성하는 입자들은 중력, 전자기력, 강한 상호작용(강한 핵력, 강력이라고도 불린다.)의 영향을 받는다. 여기서 중력은 너무 미약하여 거의 영향을 미치지 않으므로 생략한다면 전자기력과 강력의 작용으로 원자핵의 구조를 띈다고 생각할 수 있다. 전자기력은 같은 전하를 띈 입자들끼리는 밀어내고, 다른 전하를 띈 입자들끼리 당기는 힘이므로 원자핵 내에선 척력만이 작용할 수 있다.(원자 핵 내에는 +전하만 존재하고, -전하는 존재하지 않는다.) 강한 상호작용은 핵자들 사이에서 작용되는데, 너무 가까우면 밀어내고, 너무 멀어지면 당기는 특이한 힘이 작용된다. 그렇지만 모든 거리에서 적용되는 것은 아니고, 너무너무 멀어지면 인력도 척력도 작용하지 않게 된다. 따라서 강한 상호작용은 핵자들의 위치를 어느 정도 고정시키게 만든다.

질량이 3인 헬륨 원자핵의 경우에는 3개의 핵자가 서로 강한 상호작용으로 당기고 있으며, 이보다 약한 전자기력이 두 양성자를 밀어내려고 하고 있다. 따라서 이 경우에는 이등변삼각형의 모양을 띄게 된다.
질량이 4인 헬륨 원자핵의 경우에는 4개의 핵자가 서로 강한 상호작용으로 당기고 있고, 두개의 양성자 사이에는 강한 상호작용보다 약한 전자기력이 밀어내려 하고 있다. 이 네 개의 핵자가 취할 수 있는 모양은 정사면체의 각 꼭짓점에 핵자들이 위치하는 것인데, 이 중 두 양성자 사이에서만 전자기력(척력)이 작용하므로 모양은 한 변이 늘어난 정사면체와 비슷하게 보일 것이다.
여기서 주의할 것은 양자역학의 불확정성 원리에 의해서 정확히 핵자의 위치를 말할 순 없고, 핵자의 존재확률이 높은 곳을 연결했을 때의 모양만 따지는 것이다.
이 질량 3인 입자와 4인 입자들이 중요한 이유는 저온 물리학을 연구할 때에 나타나게 된다.
핵자들(양성자, 중성자)은 스핀이란 물리량이 1/2이다. (스핀은 분수로 나타낸다. 이상하게 소수로 나타낸 것을 본 적이 없는데, 그것은 스핀의 고전적인 물리적 개념 때문이라고 글쓴이가 조심스럽게 추측해 본다.) 이 핵자들의 스핀의 합이 원자핵의 스핀의 합을 만드는데, 질량 3의 헬륨 원자핵의 경우에는 -3/2, -1/2, 1/2, 3/2 의 네 가지 상태를 띌 수 있다. (대부분 1/2와 -1/2만 생각한다.) 반면 질량 4인 헬륨원자핵은 -2, -1, 0, 1, 2의 다섯 가지 상태를 띌 수가 있는데, 이 두 경우를 비교하자면 하나는 분모가 2인 분수 형태이고, 다른 하나는 정수인 형태이다.
이 두 상태를 각기 페르미온, 보존 이라고 부르는데 그 이유는 분모가 2인 분수 형태를 띄는 물질의 상태 해석을 페르미와 디랙이 연구하여 페르미-디랙 통계를 만들었으며, 정수 스핀을 띄는 물질의 상태 해석은 보즈와 아인쉬타인이 연구하여 보즈-아인쉬타인 통계를 만들었기 때문이다. (보즈는 인도 물리학자인데, 보존의 물질의 상태해석을 연구하여 아인쉬타인에게 보냈다. 아인쉬타인은 그 연구를 보고 틀린 곳을 몇 곳을 수정하여 발표하게 된다.) 그래서 이들의 업적을 기리기 위해 페르미온과 보존이란 이름을 사용하게 된 것이다.
다 알겠지만 이 두 가지 물리적 특징이 서로 크게 틀려서 헬륨의 물리적 특징이 차이가 나게 된다. 상온, 상압의 경우 기체의 상태이므로 크게 영향을 받지 않지만, 극저온, 고압에서는 액체나 고체의 상태를 띄므로 위의 두 가지 차이점이 크게 다르게 나타나게 될 수 있다.
자세한 것은 복잡하고 어려우므로(사실 글쓴이도 잘 모르므로 ... ^^) 생략하기로 한다.

5. 초유체 현상
초유체 현상은 실험에 앞서 이론이 먼저 예언한 현상으로 유명하다. 그리고 현대에 이루어진 이론적 연구 치고는 비교적 쉬운 수학을 이용해서 간단한 계산으로 된 연구이기 때문에 더욱 더 재미있다. (쉽다고 해 봤자 대학교 물리학과 4학년 학생들이 이해하기에 무리가 많이 따른다. ㅎㅎㅎㅎ) 그 이론적 배경을 간단히 원리만 살펴보자. (글쓴이가 대학교 다닐 때에 4학년 통계역학 시간에 배웠는데, 필자가 작은 글씨로 빽빽하게 글을 쓴 결과 A4용지 23장이 필요했다. 그러므로 이러한 글에서 수식에 대해 배우는 것은 무리일 뿐이다.) 뿐만 아니라 내용도 결코 쉽지 않을 것으로 예상된다. 이 글을 읽고 이해가 안 된다고 자신의 무지를 책망하지 말자.....
(사실 글쓴이도 이해가 안 되는 말을 쓰는 경우가 있을지도 모른다. ㅎㅎㅎ)


유체는 쉽게 이야기해서 ‘흐르는 성질을 띠는 물질’이란 것이다. 흔히 액체와 고체를 말하는데, 유리질도 포함시킬 수 있다. 헬륨의 초유체 현상을 이야기할 때는 약 4K 미만의 온도에서 나타나는 액체를 대상으로 말한다. 물질 내부의 에너지는 물질 구성물 개개가 갖고 있는 에너지들과 물질 구성물들 사이에 존재하는 에너지(이 초유체를 설명하는 글에서는 이 에너지를 그냥 에너지로 부르겠다.)의 총합을 말하는 것이다. 그런데 각각의 헬륨이 갖고 있는 에너지는 온도만 일정하다면 거의 일정하다고 생각할 수 있으므로 (헬륨 원자의 경우

만큼 고유 에너지를 갖는다. K_b는 볼츠만 상수) 물체 내의 에너지는 에너지의 변화만을 생각해도 그 물질의 내부의 총 에너지 변화를 생각할 수 있다.
일반적으로 에너지는 작은 쪽으로, 엔트로피는 높은 쪽으로 흐르는 것이 자연의 순리이기 때문에 자연에서는 속도가 줄어드는 쪽으로 변화하는 것을 흔히 보게 된다. 자동차가 가다가 엔진이 멈추면 멈춰서고, 아이스하키의 퍽을 치면 멀리 미끄러지다가 멈추게 된다. 하지만 속도가 빨라지면 에너지가 줄어든다면 어떤 결과가 나타날까???? 속도는 자꾸자꾸 빨라질 것이다. 속도가 빨라지면 엔트로피도 증가하므로 자연의 움직임이 일반적으로 이 두 가지 물리량의 상충되는 점을 찾아가는 것과 비교해서 둘 다 증가하는 방향으로 나아가므로 점점 더 빨라지는 것이다.
그런데 액체 헬륨에서는 이러한 현상이 이론적으로 예측됐고, 실제로 관측됐다.
헬륨 액체 속에서 헬륨분자들 간의 속도가 증가할 때에 이들 사이의 에너지가 감소하는 구간이 작으나마 존재하게 됐고, 결국 이 구간 속에서는 액체는 흐름을 멈추지 않고 계속 움직이게 됐다. 이 현상을 헬륨의 초유체 현상이라고 한다. 초유체 현상의 큰 특징 중 하나는 점성이 0이 된다는 것이다. 점성이란 유체(특히 액체)의 구성물들 사이에서 존재하는 인력 때문에 나타나는 유체 내부 마찰인데 그것이 0이 된다면 언뜻 이해가 되지 않는다.
쉽게 말해서 우리가 꿀에 떡을 찍어먹을 때에 꿀이 떡에 뭍은 것이 끊어지지 않고 길게 늘어지는 것을 본 적이 있을 것이다. 이것이 바로 점성인데, 초유체 현상이 나타난 헬륨의 경우 이 길게 늘어지는 현상을 관찰할 수 없다는 것이다.
그것을 넘어서서 초유체 헬륨의 경우는 그릇에 담아놓을 수도 없다. 그릇에 담아놓으면 그릇 벽을 타고 올라가서 결국 그릇의 밖으로 빠져나가는 현상이 나타나게 된다. 결국 초유체 헬륨을 보관하기 위해서는 완전히 밀폐된 용기를 사용해야 한다는 것이다. (아주 작은 구멍 하나만 있어도 언젠가는 다 빠져나가게 된다.)


그 밖에도 아주 재미있는 성질들이 많이 있는데, 이는 글을 읽고 공부하려는 이들을 위해 과제로 남겨놓는다. 정말 재미있는 현상이 많으므로 꼭 찾아서 확인하기 바란다. ^^

뒷글 : 4-2 헬륨(He) 이야기 #2/2

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