Jabarkan Karakteristik dari Helium

Menurut perspektif mekanika kuantum, helium adalah atom tersederhana kedua yang dapat dimodelkan setelah atom hidrogen. Helium tersusun atas dua elektron dalam orbital atom helium dan inti atom yang terdiri dari dua proton dan beberapa neutron. Menurut mekanika Newton, tiada sistem yang terdiri dari lebih dari dua pertikel yang dapat diselesaikan menggunakan pendekatan matematis analitis yang eksak (liat masalah tiga benda). Hal yang sama juga berlaku pada atom helium, sehingganya diperlukan metode matematis numeris bahkan untuk menyelesaikan sistem satu inti dan dua elektron. Metode kimia komputasional telah digunakan untuk menciptakan gambaran elektron yang terikat dengan inti atom secara kuantum dengan akurasi < 2% dari nilai sebenarnya. Dalam gambaran model ini, ditemukan bahwa tiap-tiap elektron dalam helium saling memerisai atraksi inti atom (efek pemerisaian) sehingganya muatan efektif inti yang tiap-tiap elektron terima (nilai Z) adalah sekitar 1,69 dan bukannya 2.

Stabilitas inti atom dan kelopak elektron helium-4

Inti atom helium-4 identik dengan partikel alfa. Eksperimen penghamburan elektron energi tinggi menunjukkan bahwa muatannya akan menurun secara eksponensial dari nilai maksimum a pada suatu titik pusat, persis sama dengan rapatan muatan awan elektron helium itu sendiri. Kesimetrian ini mencerminkan berlakunya hukum fisika yang sama, yakni pasangan neutron dan pasangan proton dalam inti atom helium mematuhi kaidah mekanika kuantum yang sama sebagaimana pasangan elektron helium patuhi (walaupun partikel-partikel inti menerima potensial pengikatan inti yang berbeda), sehingganya kesemuaan fermion ini memenuhi orbital 1s secara berpasangan, tiada satupun yang memiliki momentum sudut orbital, dan tiap-tiap fermionnya saling membatalkan spin intrinsik satu sama lainnya. Penambahan partikel sejenis dalam sistem memerlukan momentum sudut dan akan mengakibatkan pelepasan energi yang lebih rendah (dan sebenarnya pula, tiada inti atom bernukelon lima yang stabil). Susunan seperti ini sehingganya sangat stabil secara energetika dan kestabilan ini bertanggung jawab atas banyak sifat-sifat helium yang terpantau.

Sebagai contohnya, stabilitas dan rendahnya energi keadaan awan elektron helium bertanggung jawab atas keinertan kimiawi helium dan juga ketiadaan interaksi antar atom, mengakibatkan helium memiliki titik lebur dan titik didih yang paling rendah di antara semua unsur-unsur kimia.

Sama halnya pula, stabilitas inti atom helium-4 juga menghasilkan efek yang sama, dan bertanggung jawab atas mudahnya helium-4 terbentuk dalam reaksi atomik nuklir yang melibatkan emisi maupun fusi partikel berat. Beberapa helium-3 yang stabil dihasilkan dalam reaksi fusi hidrogen, namun jumlahnya sangat kecil dibandingkan dengan helium-4. Stabilitas helium-4 adalah sebab hidrogen diubah menjadi helium-4 (dan bukannya deuterium maupun helium-3) dalam reaksi nuklir Matahari.

Stabilitas inti helium-4 yang tidak lazim juga sangat penting dalam bidang kosmologi. Stabilitas inti helium-4 menjelaskan mengapa dalam menit-menit pertama setelah Ledakan Dahsyat, hampir semua inti atom yang terbentuk adalah inti helium-4. Pengikatan inti helium-4 sangat erat sehingganya produksi helium-4 menghabiskan hampir semua neutron yang bebas dalam beberapa menit sebelum neutron tersebut menjalani peluruhan beta, dan hanya menyisakan sedikit neutron untuk membentuk atom-atom yang lebih berat lainnya seperti litium, berilium, dan boron. Pengikatan inti helium-4 per nukleon lebih kuat daripada unsur-unsur tersebut (lihat nukleogenesis dan energi pengikatan) sehingga tiada dorongan energetik yang tersedia lagi seketika helium terbentuk untuk membentuk unsur 3, 4, dan 5. Secara energetis, helium hampir cukup dapat menjalani fusi membentuk unsur berikut yang energi per nukleonnya lebih rendah, yakni karbon. Namun, dikarenakan ketiadaan unsur intermediat, proses ini mempersyaratkan tiga inti helium saling bertumbukan secara bersamaan (lihat proses tripel alfa). Oleh karena itu, hampir tidak ada waktu yang tersedia bagi karbon untuk terbentuk secara signifikan beberapa menit setelah Ledakan dahysat sebelum alam semesta mulai mendingin dan mengembang. Hal inilah yang membuat rasio hidrogen/helium pada masa-masa awal alam semesta sama dengan yang terpantau sekarang (yakni 3 bagian hidrogen per 1 bagian helium-4 berdasarkan massa), dengan hampir semua neutron alam semesta terperangkan dalam helium-4.

Semua unsur-unsur yang lebih berat lainnya (termasuk unsur-unsur yang diperlukan untuk membentuk planet seperti Bumi ataupun kehidupan) oleh karenanya terbentuk setelah peristiwa Ledakan Dahsyat di dalam bintang yang memiliki temperatur yang cukup panas untuk menjalankan fusi helium dengan sendirinya. Semua unsur selain hidrogen dan helium yang ada sekarang hanya mencakupi 2% massa materi alam semesta. Sebaliknya, helium-4 menduduki sekitar 23% materi biasa alam semesta.