How big is 헬륨 원자?

헬륨 원자는 양성자 2개와, 거의 항상 중성자 2개로 이루어진 원자핵 주위에 전자 2개가 있는 원자이다. 이 사이트의 수소 원자와 같은 방식, 즉 전자가 발견될 가능성이 가장 높은 거리의 2배로 측정하면 지름이 약 0.06나노미터, 즉 62피코미터이다. 1피코미터는 1조분의 1미터이다.

크기

원자에는 고정된 모양이나 크기가 없다. 전자는 원자핵 주위에 뚜렷한 바깥 경계 없이 구름을 이룬다. 그래서 원자의 크기를 정의하는 방법은 여러 가지이고, 방법마다 다른 값이 나온다. 여기에 쓴 값은 전자가 있을 가능성이 가장 높은 위치를 계산한 결과이다.

이 방식으로는 헬륨의 전자가 가장 많이 발견되는 곳이 원자핵에서 약 31피코미터 떨어진 지점이므로, 원자의 지름은 약 62피코미터이다. 그래서 헬륨 원자는 전자가 2배 많은데도 수소 원자보다 작다. 헬륨의 원자핵에는 양성자가 1개가 아니라 2개 있고, 양성자 2개의 더 강한 인력이 전자를 더 가까이 끌어당기기 때문이다.

화학자들은 서로 떨어진 두 원자가 서로 밀어내기 전까지 얼마나 가까이 접근할 수 있는지도 측정한다. 반데르발스 반지름이라는 이 척도로는 헬륨 원자의 지름이 약 280피코미터이다.

크기 비교

같은 방식으로 지름이 106피코미터인 수소 원자는 헬륨 원자 지름의 약 1.7배이다.
헬륨 원자의 지름은 원자핵 지름의 약 18,000배이다. 원자핵은 지름이 약 3.4펨토미터이다. 1펨토미터는 1나노미터의 100만분의 1이다.
헬륨 원자를 미식축구장 길이, 즉 엔드존을 포함해 110미터로 확대한다면, 원자핵은 지름이 약 6밀리미터일 것이다.
약 130만~160만 개의 헬륨 원자를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기에 해당한다.
파장이 1피코미터인 감마선 파장 약 60개를 끝과 끝을 맞대어 한 줄로 늘어놓으면 헬륨 원자의 지름에 이른다.

태양에서 발견되다

헬륨은 지구에서보다 태양에서 먼저 발견되었다. 원소마다 선명한 색깔 선들의 패턴으로 빛을 내는데, 이를 스펙트럼이라고 하며 지문처럼 쓰인다. 1868년 천문학자 피에르 장센과 조지프 노먼 로키어는 각자 태양 스펙트럼에서 알려진 어떤 원소와도 맞지 않는 노란 선을 보았다. 로키어는 태양을 뜻하는 그리스어 헬리오스를 따서 이 새 원소에 이름을 붙였다.

1895년 화학자 윌리엄 램지는 우라늄 광물을 산에 녹일 때 나온 기체에서 지구의 헬륨을 발견했다. 스웨덴 화학자 페르 테오도르 클레베와 닐스 아브라함 랑레트도 웁살라에서 연구하다가 같은 해에 독자적으로 헬륨을 발견했다.

헬륨이 생겨나는 곳

헬륨은 수소 다음으로 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이며, 태양 질량의 약 4분의 1을 차지한다. 지구에서는 우라늄과 토륨이 붕괴할 때 헬륨이 만들어진다. 이 원소들은 알파 입자를 내보내는데, 알파 입자는 각각 헬륨 원자핵이다. 알파 입자가 전자 2개를 얻으면 헬륨 원자가 된다.

이 헬륨의 일부는 땅속에 갇힌 채 남아 있고, 그 헬륨은 천연가스에서 추출하며, 천연가스에는 헬륨이 최대 7% 들어 있을 수 있다. 공기 중으로 빠져나간 헬륨은 아주 가벼워서 지구를 아예 벗어나 우주로 흩어진다. 액체 헬륨은 섭씨 영하 269도에서 끓는데, 이는 모든 물질 중 가장 낮은 끓는점이다. 그래서 대부분의 병원 MRI 장비에서 자석을 식히는 데 쓰인다.