הליום-3

הליום-3 (3He) הוא איזוטופ יציב של הליום המורכב מ-2 פרוטונים ונייטרון אחד. הליום-3 ומימן-1 (1H) הם שני האיזוטופים היציבים היחידים המכילים יותר פרוטונים מנייטרונים. המסה האטומית של הליום-3 היא 3.02 יחידות מסה אטומיות, בהשוואה ל 4.00 יחידות מסה בהליום-4. אנרגיית נקודת האפס של הליום-3 גבוהה משל הליום-4 ולכן נדרשת פחות אנרגיה תרמית להתגבר על אינטראקציות ואן דר ואלס החלשות. בהתאם לכך נקודת הרתיחה של הליום 3 והנקודה הקריטית נמוכות בהשוואה להליום 4. הליום-3 הוא פרמיון, בניגוד להליום-4 שהוא בוזון, ולכן הוא עובר למצב של נוזל-על בטמפרטורה נמוכה בהרבה משל הליום-4 (ב-0.00249K לעומת 2.17K בהליום-4). בשנות החמישים של המאה ה־20 גילה הפיזיקאי הסובייטי אייזק פומרנצ'וק (אנ') כי תחת תנאים מסוימים, הליום-3 נוזלי מתמצק בחימום. הסיבה לכך היא שבפאזת המוצק של החומר יש יותר כיוונים אפשריים לספין של האטום, דהיינו האנטרופיה גבוהה יותר. להליום-3 חתך פעולה גדול לבליעת נייטרונים בתגובה בה נוצר טריטיום ופרוטון: 2 3 H e + 0 1 n → 1 3 T + 1 1 p {\displaystyle {}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} \to {}_{1}^{3}\mathrm {T} +{}_{1}^{1}\mathrm {p} } ולכן משמש למדידת פליטת נייטרונים. האיזוטופ הליום-3 נפלט מרוח השמש אך נבלם ברובו בהגיעו לכדור הארץ עקב האטמוספירה, ולפיכך, הגז נדיר בכדור הארץ, ושכיחותו היא 0.000137% מכלל ההליום. עם זאת, ברגולית הירח הליום-3 שכיח יותר, עקב היעדר אטמוספירה, וריכוזו בדוגמאות קרקע שהובאו מהירח הוא בין 1 ל-15 חלקים למיליארד (ppb). הריכוזים הגבוהים ביותר נמצאו בים השלווה, בדוגמאות שהובאו במשימת אפולו 11 - 15 חלקים למיליארד, לעומת 8 חלקים למיליארד בדוגמאות של אפולו 17 ולונה 16. במכתשים בקטבי הירח הריכוז המשוער הוא של 50 חלקים למיליארד. הגשושית גלילאו מדדה באטמוספירה של כוכב הלכת צדק שכיחות יחסית דומה לזה שבירח - יחס 3He:4He של 1:10,000, הגבוה בערך פי 100 מהיחס בין האיזוטופים בכדור הארץ. משערים שיחס זה משקף את הרכב ההליום בערפילית השמש הקדמונית - ואילו היחס בכדור הארץ הוא תוצאת יצירת הליום-4 מהתפרקויות אלפא של אורניום ותוריום. רוב ההליום-3 שבמעטפת כדור הארץ נלכד במהלך היווצרות כדור הארץ וכמותו הכוללת מוערכת ב 0.1-1 מיליון טון. בנוסף לכך 37,000 טון של הליום-3 שנוצרו מפגיעת קרינה קוסמית נמצאים באטמוספירה, וכן הליום-3 שנוצר מפירוק בטא של טריטיום. הליום-3 נחשב כמקור אפשרי לייצור אנרגיה נקיה באמצעות היתוך גרעיני. בניגוד לתגובות גרעיניות אחרות, בהן נפלטים נייטרונים הנבלעים על ידי חומרים אחרים בכור ויצרים פסולת רדיואקטיבית - הרי שבתגובת ההיתוך עם דיאוטריום (D) 2 3 H e + 1 2 D → 2 4 H e + 1 1 p {\displaystyle {}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{1}^{2}\mathrm {D} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{1}^{1}\mathrm {p} } או בתגובה בין שני אטומים של הליום-3 2 3 H e + 2 3 H e → 2 4 H e + 2 1 1 p {\displaystyle {}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{2}^{3}\mathrm {He} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +2\;{}_{1}^{1}\mathrm {p} } לא נפלטים נייטרונים, ולכן התהליך עשוי להיות ידידותי ובטוח יותר משיטות אחרות להפקת אנרגיה גרעינית. על פי הערכות מדענים, כ-25 טון של הליום-3 מספיקים על מנת לייצר חשמל עבור ארצות הברית כולה למשך שנה. מדיה וקבצים בנושא הליום-3 בוויקישיתוף Leggett, A. J. (1972). "Interpretation of Recent Results on He3 below 3 mK: A New Liquid Phase?". Physical Review Letters. 29 (18): 1227–1230. Bibcode:1972PhRvL..29.1227L. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1227. Asaf Rozen, Jeong Min Park, Uri Zondiner, Yuan Cao, Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene, Nature 592, 2021-04, עמ' 214–219 doi: 10.1038/s41586-021-03319-3 אסף רונאל, האם תוספת אי סדר יכולה ליצור סדר? לאלקטרונים יש תשובה מפתיעה, באתר הארץ, ‏8 באפריל 2021 Slyuta, E. N., A. M. Abdrakhimov, and E. M. Galimov. "The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith." Lunar and Planetary Science Conference. Vol. 38. 2007. Cocks, Franklin Hadley., 3He in permanently shadowed lunar polar surfaces.", Icarus 206.2 (2010): 778-779