세슘(시지엄) 원소의 성질과 이용

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세슘(시지엄, Cesium, Caesium, Cs)

원소의 성질과 이용

  

󰋯  원자번호：55

󰋯  족：1족(6주기), 알칼리금속

󰋯  원자량：132.905

󰋯  밀도：1.93 g.cm^-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 18, 8, 1

󰋯  mp：28.44℃ / 󰋯  bp：671℃ 

 

세슘은 1족 6주기에 속하는 은빛의 알칼리 금속 원소이다. 1족 원소 중에서 수소를 제외한 나머지 알칼리 금속 원소(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)는 무른 금속인데 그들 중에 세슘이 가장 연하다.

 

cesium (영어로는 caesium, 발음은 시지엄)이라는 원소명은 ‘푸른 하늘’을 의미하는 라틴어 coesius 에서 따왔다. 그 이유는 고온(高溫)의 세슘으로부터 방출되는 빛을 분광기로 조사했을 때, 밝은 청색선이 나타나기 때문다.

 

세슘은 워낙 화학반응성이 강하여 순수한 상태로는 자연계에 존재하지 못한다. 세슘은 폴루사이트(pollusite)라는 규산염(규소, 알루미늄, 세슘, 산소의 화합물)으로부터 생산한다.

 

세슘은 다른 1주기 원소처럼 최외각에 1개의 전자를 가지고 있어 화학반응성이 대단히 강하다. ‘알칼리금속’(alkali metal)이라는 명칭은 이 원소들이 물과 반응하여 강한 알칼리성의 수산화물이 되기 때문에 붙여진 것이다. 알칼리금속들은 주기율표에서 아래로 내려갈수록 전기전도성은 낮아지고, 반대로 화학반응성은 증가한다.

 

특히 세슘은 물과 접촉하면 맹렬하게 반응하여 수소를 발생한다. 또한 이 원소는 산소를 만나면 이산화세슘(CsO2)이 되고, 이산화세슘이 물이나 이산화탄소와 만나면 즉시 산소를 방출한다. 단시간에 산소를 대량 생산하는 세슘의 성질은 유독가스가 가득한 공간에 들어가야 하는 소방대원이라든가    응급 구조대원의 인공호흡장비에 유용하게 이용된다.

 

세슘은 체온보다 낮은 29℃이면, 즉 손에 쥐고 있으면 녹아 액체로 된다. 알칼리금속은 주기율표에서 아래로 갈수록 녹는 온도와 끓는 온도가 낮다. 상온(常溫 약 20-25℃) 가까운 온도에서 액체 상태로 존재하는 금속 원소는 수은과 세슘 둘 뿐이다.

 

세슘은 독일의 분젠(Robert Bunsen 1811-1899)과 키르히호프(Gustav Kirchhoff 1824-1887) 두 동료 화학자가 1860년에 발견했다. 그들은 분광기(spectroscope)를 발명한 과학자인 동시에, 분광기를 이용하여 세슘을 찾아내기도 했다. 세슘은 분광기로 찾아낸 첫 번째 원소이다.

 

세슘은 초진공(超眞空)을 만들 때 유용하다. 브라운관이나 진공관 속에 소량의 세슘을 넣으면, 남아 있던 산소 등의 이질적(異質的) 기체와 화합함으로써 초진공 상태로 만든다.

 

 

초정밀 원자시계 세슘-133 시계

 

길이, 무게, 시간, 전압, 온도 등의 단위는 국제적으로 통일되어 있다. 과학이 발달함에 따라 시간의 단위는 최고의 정밀도를 요구하게 되었다. 그에 따라 1967년, 국제단위체계(International System of Units)는 1초(second)의 기준을 세슘-133(자연계에 존재하는 세슘의 동위원소) 원자가 방출하는 전자기방사선(electromagnetic radiation, EMR)의 진동수를 기준으로 정했다. 즉 Cs-133 원자에서 나오는 EMR이 9,192,631,770회 진동하는 시간을 1초로 정한 것이다. 그러므로 세슘 원자시계는 약 100억분의 1초까지 정밀하게 측정할 수 있다.

 

세슘은 인체에 특별한 해가 없는 것으로 알려져 있으며, 촉매라든가 강화유리와 광전지 제조 분야 등에서 연구가 이루어지고 있다.

 

 

 

핵물리학이라든가 전자과학에서는 정밀한 시간의 기준과 측정이 필요하다. 2004년 스위스에 설치된 사진의 ‘세슘원자시계’는 3천만 년에 1초 오차가 발생할 정도로 정밀하다.

 

 

 

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