크립톤

크립톤(Kr)은 주기율표에서 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 제논(Xe), 라돈(Rn)과 함께 18족 기체(noble gas)로 분류되어 있으며, 맛, 색, 냄새가 없고 공기 중에 대략 1백만분의 1 부피 비로 매우 희박하게 존재하는 희유 기체(rare gas)이다. 크립톤은 바깥 전자 껍질에 8개의 전자를 가지고 있어 안정하며 일원자 분자로 존재한다. 다이플루오린화 크립톤(KrF₂) 화합물과 같은 몇 가지 예외를 제외하면 화학적으로 비활성이다. 주로 형광등이나 사진 촬영 플래시에 사용되는데, 가격이 비싸 공항 활주로 표시등, 에너지 절약형 형광등, 네온사인 등 용도가 제한적이다. 크립톤은 진공 방전관에서 주로 녹색과 노란색이 혼합된 백색광에 가까운 강한 빛을 내기에 1960년에서 1983년까지 크립톤-86을 이용한 방전관에서 나오는 605 nm의 오렌지색 스펙트럼 선 파장의 빛을 길이의 표준으로 사용하기도 하였다. 크립톤 이온 레이저나 엑시머 레이저(excimer laser)와 같은 고출력의 가스 레이저를 만드는 데 크립톤 플라스마가 쓰인다. 

크립톤 가스 방전관()

목차

크립톤은 1898년에 영국의 화학자 램지(W. Ramsay)와 그의 제자 트래버스(M. W. Travers)에 의해 발견되었는데, 그들은 공기를 액화시킨 후 분별 증류(fractional distillation)하여 크립톤을 분리하는 데 성공하였고, 스펙트럼 측정을 통해 새로운 원소임을 확인하였다. 그들은 같은 해 유사한 방법으로 네온과 제논도 발견하였다. 특히 램지는 이 원소들을 발견하기 이전에 헬륨과 아르곤도 발견하였는데, 이러한 일련의 기체를 발견한 공로로 1904년에 노벨 화학상을 받았다. 또한 램지와 트래버스는 크립톤이 질소, 산소, 수소와 달리 일원자 분자(monoatomic molecule)로 존재한다는 사실도 알아냈다.

헬륨을 제외하고 지구가 생성될 당시 존재하던 모든 18족 원소 기체가 아직도 남아 있으며, 현재 대기 중 크립톤의 농도는 약 1 ppm 정도로서 매우 희박하게 존재한다. 크립톤은 램지가 발견할 당시 썼던 방법을 통해 액화 공기로부터 추출할 수 있으며 전 세계 연간 생산량은 약 8톤에 불과하다.

크립톤의 원소 이름은 그리스어로 ‘숨겨진 것’을 뜻하는 ‘krytos’에서 따서 ‘krypton’이라고 램지가 명명한 것에서 유래하며, 그 원소 기호는 ‘Kr’이다.

크립톤은 바깥 전자 껍질에 8개의 전자를 가지고 있어 안정하며 일원자 분자로 존재한다. 색과 냄새가 없는 기체로 우라늄의 핵분열 산물 중 하나이며, 녹색과 노란색이 특히 강한 방출 선 스펙트럼을 나타내는 원소이다. 1960년 무게와 측정에 관한 국제 회의에서 크립톤-86 동위원소에서 방출된 스펙트럼 선의 605 nm 파장을 미터로 다시 정의하였다. 이는 기존의 1889년부터 프랑스 파리 근처에 보관된 백금-이리듐 합금 막대에 표시된 두 선 사이의 길이로 정의된 미터를 대체한 것이다. 1983년 정밀도를 높이기 위해 빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 이동한 거리로 다시 정의되었다.

지구 대기에 자연적으로 발생한 크립톤의 안정한 동위원소로는 ⁷⁸Kr(0.36%), ⁸⁰Kr(2.29%) ⁸²Kr(11.59%), ⁸³Kr(11.50%), ⁸⁴Kr(56.99%) 및 ⁸⁶Kr(17.28%)이 있으며 약 30개의 불안정한 방사성 동위원소가 알려져 있다. 이 중 ⁸¹Kr은 반감기가 23만 년인 방사성 동위원소로 오래된 지하수의 연대 측정에 사용된다. ⁸⁵Kr는 10.76년의 반감기를 갖는 방사성 동위원소로 우라늄과 플루토늄의 핵분열로 생성되는데 핵폭탄 실험과정이나 원자로에서 연료봉을 재처리하는 과정에 대기 중으로 방출된다.

크립톤을 비롯한 비활성 기체들은 오랫동안 화학 반응성이 전혀 없는 것으로 여겨져 왔으나 1962년 영국 화학자 바틀렛(N. Bartlett)이 제논(Xe)과 헥사플루오린화 백금(PtF₆)을 반응시켜 Xe⁺[PtF₆]^- 화합물을 합성했다고 발표하였고 이듬해에는 크립톤을 플루오린과 반응하여 다이플루오린화 크립톤(KrF₂)을 형성한다고 보고하였다. 실제 바틀렛이 얻은 제논 화합물은 여러 가지 화합물이 섞인 혼합물이었지만, 비활성 기체의 화학적 반응성을 입증한 최초의 실험으로 의미가 있다. 바틀렛의 실험 이후 XeF₂, XeF₄ 및 XeF₆ 등 다양한 제논 화합물이 보고되었으며 플루오린 이외의 원자들과 크립톤 사이의 결합을 가지는 크립톤 화합물들도 알려지게 되었다.

가시광선 영역에서 여러 개 발생하는 크립톤의 방출 선 스펙트럼을 이용한 푸르스름한 빛은 백색 광원으로 사용된다. 크립톤과 다른 기체를 혼합하여 밝은 녹황색의 빛을 만들기도 하며, 특히 아르곤과 혼합된 크립톤 전구는 값은 비싸지만, 소비 전력을 줄여 에너지 효율이 높다. 또한, 크립톤은 제논처럼 백열등에 채워져 필라멘트의 증발을 억제하고 높은 작동 온도에도 견딜 수 있게 하며 동시에 일반 백열등보다 푸른색이 더 많이 들어간 밝은 빛을 얻을 수 있다. 크립톤 기체에 전류를 통하여 얻은 매우 밝은 백색 빛은 공항 활주로 표시등이나 고속 사진 촬영용 플래시를 만드는 데 사용된다. 또한, 크립톤 백색 방전관 유리에 원하는 색상을 단순히 칠하거나 착색시켜 다양한 색깔의 네온사인을 만들 수도 있다.

크립톤은 레이저에도 많이 응용되는데, 전류로 이온화된 크립톤 기체를 이용하면 가시광선 영역의 여러 파장의 빛이 혼합된 백색 레이저를 얻을 수 있으며, 이는 망막 시술과 홀로그램 제작 등에 사용된다. 또한, 크립톤은 빨간색 스펙트럼 영역에서 네온보다 휠씬 강한 빛을 내기에, 이 색깔만을 선택하는 거울을 장착하여 일반적인 헬륨-네온 레이저로는 만들 수 없는 고출력의 빨간색 레이저도 만들 수 있다. 엑시머 레이저의 일종인 플루오린화 크립톤(KrF) 레이저는 균일도가 높은 248 nm의 짧은 파장의 고출력 레이저 펄스를 만드는데, 이는 반도체 집적회로를 제작하거나, 이를 이용한 미세 가공 및 핵융합 에너지 연구와 같은 과학 연구 등에 널리 이용된다.

이외에도 실험 입자 물리학에서 쓰이는 전자기 열량계(electromagnetic calorimeter)를 만드는데 액체 크립톤이 사용되기도 한다. 유럽공동원자핵연구소(CERN)에 있는 NA48 실험 장치에는 약 27톤의 액체 크립톤이 들어 있다. 또한, 크립톤-83 동위원소는 기관지 촬영을 위한 자기 공명 영상(MRI)에 사용되는데 이 촬영으로 기관지의 소수성과 친수성 표면을 구별할 수 있다.

Retrieved on 2018-03-23.