헬륨 발견의 역사.
1868 피에르 장센과 노먼 로키어(태양 홍염 관찰), William Ramsay 윌리엄 람지가 1895년(헬륨을 실험실에서 발견),1903년 미국 캔자스 '덱스터' 유전의 천연가스 층에서 1.84% 헬륨을 발견.
1. 천문학,천체물리학자들
피에르 장센과 노먼 로키어가 동시에 태양 스펙트럼 중에서 '노란 선'을 발견.
피에르 장센이 1868년 인도에서 개기일식을 관측하던 중 태양의 스펙트럼에서 이전에 보지 못한 밝은 노란색 선 발견.
노먼 로키어 (1836-1920) 역시, 윌림엄 람지가 실제로 실험을 통해서 헬륨을 발견하기 27년 전에, 태양 관찰을 통해서 헬륨의 존재를 알아냄.
색깔 층 (Chromosphere) 색깔, 색을 의미하는 Chromo + 구 (sphere)
노란 선의 실체가 무엇인가?
노먼 로키어는 이 노란선이 나트륨과는 다르다는 것을 깨닫고, 이를 새로운 원소라고 주장, 태양신 '헬리오스'의 이름을 따서 '헬륨(Helium)'이라 명명. 헬륨은 칼륨처럼 '고체'로 간주.
나중에 1895년 윌리엄 람지의 실험으로, 헬륨이 '기체'임을 알게됨.
2. 도구의 중요성. 분광기 (현대적 의미 Spectroscope) 개발사.
1859년 , 독일 하이델베르크, 화학자 로베르트 분젠(Robert Bunsen)과 물리학자 구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff)의 협업
필요성. 분젠은 불꽃 반응을 통해 원소를 구별하려 했으나, 불꽃의 색이 비슷비슷해서 육안으로는 한계가 있음.
키르히호프는 빛을 프리즘으로 쪼개서 선(Line)으로 관찰하자고 제안.
구조:
1) 분젠 버너: 시료를 태워 빛을 냄.
2) 슬릿(Slit)과 렌즈: 빛을 가늘고 평행하게 모음.
3) 프리즘(Prism): 빛을 파장별로 분산시킴.
4) 망원경(Telescope): 분산된 스펙트럼 선을 확대해서 관찰함.
성과. 특정 원소는 반드시 특정 위치에 선을 남긴다는 '분광 분석법'을 확립.
이 도구 덕분에 9년 뒤인 1868년, 장센과 로키어가 태양에서 헬륨을 찾아낼 수 있었음
(피에르 장센이 사용한 '분광기'를 만든 사람은 J.G. 호프만 )
3. 분광기 (Spectroscope) 를 장착한 망원경으로 태양 빛을 관찰.
빛을 프리즘처럼 통과시켜, 빛을 쪼개면, 그 안에 검은 선이나 밝은 색의 선들이 나탐. 이것이 원소들의 흔적이라고 봄.
전체 망원경의 전압 렌즈 쪽에 다중 프리즘 분광기를 연결한 장치.헬륨을 발견 과정 - 개기 일식 때, 태양 가장자리에서 솟구치는 홍염 (Solar Prominence)를 보던 중,
나트륨 (D선)의 노란 선 바로 옆에 더 밝고 선명한 노란 선 (D3)이 나타나는 것을 발견.
출처.
https://www.en.silicann.com/blog/post/history-of-spectroscopy/
Milestones in the History of Spectroscopy
What is spectroscopy Spectroscopes and spectrometers allow us to learn far more about objects than what is possible with the naked eye alone. Visible light is electromagnetic radiation with wavelengths between approx. 400 nm and 780 nm. In the light of the
www.en.silicann.com
solar prominence (홍염)
태양의 대기 층인 채층(Chromosphere)에서 수만 킬로미터 높이로 솟구치는 거대한 가스 기둥을 가리킴.
물질은 수소 가스, 붉은색 빛.
구조- 태양의 강력한 자기장에 의해 가스들이 고리 모양이나 기둥 모양으로 붙잡혀 있는 현상.
개기일식 때 보이는 채층 (태양 가장자리의 붉은 고리)
참고.
https://www.aps.org/archives/publications/apsnews/201409/physicshistory.cfm
This Month in Physics History
APS Archives
www.aps.org
사진 출처. Nath, Biman. The Story of Helium and the Birth of Astrophysics. (New York: Imprint Springer) 2013
William Ramsay 윌리엄 람지가 1895년 , 헬륨을 실험실에서 발견하게 되었다.
클레베이트(Cleveite)
윌리엄 람지의 실험.
1895년 , 람지가 어떻게 해서 헬륨을 발견했는가?
미국 지질학자 힐브란트가 클레베이트(Cleveite)를 산에 녹였을 때, 질소가 발생했다는 것을 읽고, 람지는 '질소'가 아니라, 아르곤이나 다른 종류의 기체일 것이라고 가정.
런던 광물 상점에서, 노르웨이 아렌달(Arendal)산 클레베이트 구함.
이것을 가루로 만들어 '묽은 황산' (dilute sulphuric acid)으로 끓여서 가스를 발생시킴.
아래 그림에서, C 플라스크 안에서, 클레베이트 광물가루와 묽은 황산을 결합시키면, 여기서 발생한 가스가 관을 타고 A로 이동하고, 물을 거쳐, B로 간다.
A 수조. 기체가 외부로 새어나가지 않게 막아주는 수조입니다. 램지는 기체를 모으기 위해 '수상치환(Water displacement)' 방식
수조가 그 기초. 물이 담긴 A를 통과하게 함으로써, 우리가 숨 쉬는 공기(질소, 산소 등)가 포집관 B 안으로 섞여 들어가는 것을 원천 차단
B (포집관, Collection Tube): 발생한 기체가 모이는 곳. 처음에는 물이 가득 차 있다가, 아래에서 기체가 올라오면 물을 밀어내면서 상단에 기체가 고이게 됨.
C (반응 용기/플라스크, Reaction Flask): 클레베이트 광물 가루와 묽은 황산이 만나 실제 화학 반응 발생. 여기서 발생한 헬륨 가스가 관을 타고 A를 거쳐 B로 이동합니다.
B 포집관에 모인 기체를 작은 유리관 플뤼커 관( Plücker tube)으로 옮겨,
방전 준비 (Vacuum and Sealing) , 기체를 넣은 유리관 양끝에는 전극 달림. 관 내부에 압력을 아주 낮게 만든 후, 유리관을 가열하여 밀봉. 기체 분자들이 전기를 받아 빛을 발산.
이 유리관에 유도 코일(Induction coil)를 연결해 고전압 전기를 걸면, 유리관 안에 헬륨 원자들이 에너지를 받아 흥분하면서 특유의 빛을 발산.
람지가 이 빛을 처음 봤을 대, 밝은 황금빛 노란색.
분광기(Spectroscope)를 배치, 분광기의 슬릿 (Slit)이라는 좁은 틈으로 그 노란 빛을 통과.
분광기 내부 프리즘이 그 노란 빛을 파장별로 쪼개어 눈으로 볼 수 있는 '선' 형태로 투사.
이것은 나트륨의 노란 선 위치 (D1,D2)가 아니라, 그 보다 약간 옆에 위치한 파장 587.49nm 선이 선명하게 나타남.
1868년 피에르 장센과 노먼 로키어가 태양 홍염에서 발견한 D3선과 일치함을 확인.
- 태양이 아니라, 지구에서 헬륨을 확인하는 순간.
사건의 발단. 미국 캔자스 주, 덱스커 Dexter 에서 원유, 가스 시추.
1903년 당시,
헬륨이 아니라, inert residue 비활성 잔여물로 표기.
천연 가스 구성 성분 (메탄 15%, 질소 72%, 비활성 잔여물 12%, 산소 0.2%, 수소 0.8%)
비활성 잔여물에는 질소, 아르곤, 헬륨 등 혼합물이 섞여져 있음.
나중에 헬륨은 이 가스 중에 1.84% 포함되어 있음을 알게됨.
The Dexter, Kansas, Nitrogen Gas Well
Author(s): Erasmus Haworth, D. F. McFarland and H. L. Fairchild
Source:
Science , Feb. 3, 1905, New Series, Vol. 21, No. 527 (Feb. 3, 1905), pp. 191-193
위 논문.
THE OCCURRENCE OF HELIUM IN NATURAL GAS AND THE COMPOSITION OF NATURAL GAS
Cady, Hamilton P ; McFarland, David F
Journal of the American Chemical Society, 1907-11, Vol.29 (11), p.1523-1536
1905년 실험한 것을, 1907년에 발표.
맥팔레인, '비활성 잔여물 inert residue'를 마그네슘 처리해서, 질소를 완전히 제거하는 실험을 반복.
질소가 고체인 질화마그레슘으로 변해서 제거될 때까지 이 과정을 수없이 반복.
질소가 사라지고 남은 순수 기체의 부피를 재고, 분광기로 D3 선을 확인. 그 천연가스 속에 헬륨이 1.84% 포함되어 있다는 것을 알아냄
Hamilton Cady , David Mcfarland 해밀튼 케디와 데이비드 팩팔레인 논문. (천연가스에서 헬륨 발생과 천연가스의 구성)
맥팔레인은 윌리엄 램지가 사용했던 방식을 응용.
1) 달궈진 마그네슘은 질소와 매우 강력하게 반응하여 고체인 질화마그네슘을 형성
2) 분리: 기체였던 질소가 고체로 바뀌어 유리관 벽에 달라붙으면서, 혼합 기체 중 질소는 사라지고 절대 반응하지 않는 헬륨만 기체 상태로 남게 됨
3) 반복 과정. 기체를 이 관에 여러 번 통과시킬수록 순도는 높아지며, 최종적으로 'Inert Residue'에서 질소가 완전히 빠진 1.84%의 순수 헬륨만 남게 됨.
4) 남은 순수 기체의 부피를 재고 분광기로 D3 선을 확인함. 천연 가스 안에 포함된 기체가 헬륨임을 확인, 그 비중이 1.84%라는 수치 얻음
칸사스 주, 미주리 주, 오클라호마 천연 가스들을 실험 - 41군데에서 1군데를 제외하고, 모두 헬륨을 채취함.
칸사스 주, 미주리 주, 오클라호마 천연 가스들을 실험 - 41군데에서 1군데를 제외하고, 모두 헬륨을 채취함.
천연가스 층에서 헬륨을 채취할 수 있게 되었다.
출처: https://futureplan.tistory.com/497422 [한국정치 노트 Notes on the Politics of Korea:티스토리]
