Jabarkan Ciri-ciri dari Helium dalam bahasa melayu

Dalam perspektif mekanik kuantum, helium ialah atom kedua paling ringkas untuk dimodelkan selepas atom hidrogen. Helium terdiri daripada dua elektron di dalam orbital atom yang mengelilingi satu nukleus yang mempunyai dua proton dan beberapa neutron. Seperti dalam mekanik Newton, tidak ada sistem dengan lebih daripada dua zarah boleh diselesaikan dengan pendekatan matematik analitik yang tepat (lihat masalah tiga jasad) dan atom helium tidak terkecuali. Oleh itu, langkah matematik berangka diperlukan walaupun untuk menyelesaikan sistem dengan satu nukleus dan dua elektron. Kimia pengiraan seperti ini telah digunakan untuk membentuk satu gambaran mekanik kuantum untuk pengikatan elektron helium yang tepat sehingga <2% nilai yang sebenar, dalam beberapa langkah pengiraan. Dalam model-model sebegini, telah didapati bahawa setiap elektron dalam helium menghalang secara separa nukleus atom daripada elektron yang lain, dan oleh itu cas nuklear berkesan Z yang dilihat oleh setiap elektron ialah kira-kira 1.69 unit dan bukannya 2 unit seperti yang nukleus helium klasik yang "terdedah".

Kestabilan nukleus helium-4 dan petala elektron yang berkaitan

Nukleus atom helium-4 adalah sama dengan satu zarah alfa. Uji kaji penyerakan elektron bertenaga tinggi menunjukkan yang casnya menurun secara eksponen daripada takat maksimum di titik tengah, tepat seperti mana kepadatan cas awan elektron helium sendiri. Simetri ini menunjukkan fizik dasar yang sama: pasangan neutron dan pasangan proton dalam nukleus helium mengikuti peraturan mekanik kuantum yang sama dengan pasangan elektron helium (walaupun zarah-zarah nukleus tertakluk kepada kemampuan pengikatan nuklear yang berbeza), jadi semua fermion ini menduduki sepenuhnya orbital 1s secara berpasangan, tiada satu pun fermion yang memiliki momentum sudutan orbit dan setiap satu membatalkan spin intrinsik yang lain. Jika salah satu daripada zarah-zarah ini ditambah, ia akan memerlukan momentum sudutan dan akan melepaskan tenaga yang lebih sedikit (malahan, tidak ada nukleus dengan lima nukleon yang stabil). Oleh itu, susunan ini adalah sangat stabil dari segi tenaga bagi zarah-zarah ini, dan kestabilan ini menerangkan pelbagai ciri helium dalam alam semula jadi.

Contohnya, awan elektron helium yang stabil dan rendah tenaganya menjelaskan kenadiran unsur itu serta kekurangan interaksi antara atom-atom helium yang menyebabkan helium mempunyai takat didih dan lebur yang paling rendah antara semua unsur kimia.

Dalam cara yang sama, kestabilan tenaga nukleus atom helium-4 yang disebabkan oleh kesan yang sama menjelaskan betapa mudahnya helium-4 dihasilkan dalam tindak balas atom seperti pemancaran zarah berat dan pelakuran. Ada beberapa atom helium-3 yang stabil dihasilkan dalam tindak balas pelakuran hidrogen, tetapi jumlahnya amatlah kecil berbanding dengan jumlah helium-4 yang dihasilkan. Kestabilan helium-4 adalah sebab hidrogen ditukarkan kepada helium-4 (bukannya deuterium atau helium-3 atau unsur-unsur yang lebih berat) dalam Matahari. Ia juga penyebab mengapa zarah alfa ialah jenis zarah barion yang paling biasa dilenting daripada satu nukleus atom; dengan erti kata lain, pereputan alfa adalah lebih biasa daripada pereputan kluster.

Kestabilan luar biasa helium-4 juga penting dari segi kosmologi: ia menjelaskan mengapa beberapa minit selepas Letupan Besar, sedang satu "sup" proton dan neutron bebas yang pada asalnya telah terhasil dalam nisbah 6:1 menyejuk sehingga pengikatan nuklear boleh terjadi, hampir semua nukleus atom gabungan yang pertama sekali terbentuk ialah helium-4. Ikatan helium-4 adalah sangat kuat sehingga penghasilan helium-4 memakan hampir semua neutron bebas dalam beberapa minit sebelum ia boleh mereput beta, dan turut meninggalkan beberapa untuk menghasilkan atom-atom yang lebih berat seperti litium, berilium atau boron. Pengikatan nuklear helium-4 setiap nukleon adalah lebih kuat daripada mana-mana unsur ini (lihat nukleosintesis dan tenaga pengikatan). Justeru, setelah helium dihasilkan, tidak ada lagi pacuan tenaga yang ada untuk menghasilkan unsur 3, 4 dan 5. Helium lebih mudah melakur membentuk unsur seterusnya dengan tenaga yang lebih rendah setiap nukleon, karbon. Namun, oleh kerana kekurangan unsur-unsur pertengahan, proses ini memerlukan tiga atom helium melanggar satu sama lain hampir serentak (lihat proses alfa ganda tiga). Oleh itu, tidak ada cukup masa untuk jumlah karbon yang banyak terbentuk dalam minit-minit pertama selepas Letupan Besar sebelum alam semesta awal yang sedang berkembang menyejuk sehingga pelakuran helium kepada karbon tidak lagi boleh dilakukan. Ini menyebabkan alam semesta awal mempunyai nisbah hidrogen/helium yang sama seperti yang diperhatikan pada hari ini (3 bahagian hidrogen kepada 1 bahagian helium-4 mengikut berat), dengan hampir semua neutron di angkasa terkandung dalam helium-4.

Semua unsur yang lebih berat (termasuklah unsur-unsur yang perlu untuk membentuk planet berbatu seperti Bumi, dan untuk hidupan berasaskan karbon dan lain-lain) telah dihasilkan selepas Letupan Besar dalam bintang-bintang yang cukup panas untuk melakur helium. Semua unsur selain hidrogen dan helium merangkumi hanya 2% jisim atom alam semesta. Sebaliknya, helium-4 membentuk 23% jirim biasa alam semesta — hampir semua jirim biasa alam semesta yang bukan hidrogen.