Isotop helium

Meskipun helium (2He) (berat atom standar: ) memiliki sembilan isotop, hanya helium-3 (3He) dan helium-4 (4He) yang stabil. Semua radioisotop helium berumur pendek, yang berumur paling lama adalah 6He dengan waktu paruh  milidetik. Yang paling tidak stabil adalah 10He, dengan waktu paruh  yoktodetik ( detik), meskipun ada kemungkinan bahwa 2He mungkin memiliki waktu paruh yang lebih pendek.

Di atmosfer bumi, perbandingan 3He terhadap 4He adalah . Namun, kelimpahan isotop helium sangat bervariasi tergantung pada asalnya. Di Awan Antarbintang Lokal, proporsi 3He terhadap 4He adalah , yang  kali lebih tinggi daripada helium di atmosfer. Batuan dari kerak bumi memiliki rasio isotop yang bervariasi hingga faktor sepuluh; hal ini digunakan dalam geologi untuk menyelidiki asal usul batuan dan komposisi mantel Bumi. Proses pembentukan yang berbeda dari dua isotop stabil helium menghasilkan kelimpahan isotop yang berbeda.

Campuran yang sama dari cairan 3He dan 4He di bawah  terpisah menjadi dua fase yang tidak dapat bercampur karena perbedaannya (mereka mengikuti statistik kuantum yang berbeda: atom 4He adalah boson sedangkan atom 3He adalah fermion). Lemari es pengenceran memanfaatkan ketidakbercampuran kedua isotop ini untuk mencapai suhu beberapa milikelvin.

Daftar isotop

|-
| rowspan=2|
| rowspan=2 style="text-align:right" | 2
| rowspan=2 style="text-align:right" | 0
| rowspan="2" | 
| rowspan=2 | ≪  dtk
| p (> )
| 
| rowspan=2 | 0+#
| rowspan=2 |
| rowspan=2 | 
|-
| β+ (< )
| 
|-
| 
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 1
| 
| colspan=3 align=center|Stabil
| 1/2+
| 
| [, ]
|-
| 
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 2
| 
| colspan=3 align=center|Stabil
| 0+
| 
| [, ]
|-
| 
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 3
| 
|  ydtk[]
| n
| 
| 3/2−
|
|
|-
| rowspan=2|
| rowspan=2 style="text-align:right" | 2
| rowspan=2 style="text-align:right" | 4
| rowspan=2|
| rowspan=2| mdtk
| β− (%)
| 
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
| rowspan=2|
|-
| β−d (%)
| 
|-
| 
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 5
| 
|  zdtk[]
| n
| 
| (3/2)−
|
|
|-
| rowspan=3|
| rowspan=3 style="text-align:right" | 2
| rowspan=3 style="text-align:right" | 6
| rowspan=3|
| rowspan=3| (1,5) mdtk
| β− ((1,0)%)
| 
| rowspan=3|0+
| rowspan=3|
| rowspan=3|
|-
| β−n ()
| 
|-
| β−t ()
| 
|-
| 
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 7
| 
| (2,3) zdtk
| n
| 
| 1/2(+)
|
|
|-
| 
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 8
| 
|  ydtk[]
| 2n
| 
| 0+
|
|

Helium-2 (diproton)
Helium-2 atau 2He adalah isotop helium yang sangat tidak stabil. Intinya, diproton, terdiri dari dua proton tanpa neutron. Menurut perhitungan teoritis, ia akan jauh lebih stabil (walaupun masih mengalami peluruhan β+ menjadi deuterium) jika interaksi kuatnya 2% lebih besar. Ketidakstabilannya adalah karena interaksi spin-spin dalam gaya nuklir, dan asas larangan Pauli, yang memaksa dua proton tersebut untuk memiliki spin anti-sejajar dan memberikan diproton energi pengikatan negatif.

Mungkin ada pengamatan mengenai 2He. Pada tahun 2000, fisikawan pertama kali mengamati jenis peluruhan radioaktif baru di mana sebuah inti memancarkan dua proton sekaligus—mungkin inti 2He. Sebuah tim yang dipimpin oleh Alfredo Galindo-Uribarri dari Laboratorium Nasional Oak Ridge mengumumkan bahwa penemuan itu akan membantu para ilmuwan memahami gaya nuklir kuat dan memberikan wawasan baru tentang penciptaan unsur-unsur di dalam bintang. Galindo-Uribarri dan rekan kerjanya memilih isotop neon dengan struktur energi yang mencegahnya memancarkan proton satu per satu. Ini berarti bahwa kedua proton dikeluarkan secara bersamaan. Tim tersebut menembakkan seberkas ion fluorin ke target yang kaya proton untuk menghasilkan 18Ne, yang kemudian meluruh menjadi oksigen dan dua proton. Setiap proton yang dikeluarkan dari target itu sendiri diidentifikasi oleh energi karakteristiknya. Ada dua cara di mana emisi dua proton dapat dilanjutkan. Inti neon mungkin mengeluarkan "diproton"—sepasang proton yang dibundel bersama sebagai inti 2He—yang kemudian meluruh menjadi proton terpisah. Atau, proton dapat dipancarkan secara terpisah tetapi secara bersamaan—yang disebut "peluruhan demokrasi". Eksperimen ini tidak cukup sensitif untuk menentukan yang mana dari dua proses ini yang terjadi.

Lebih banyak bukti dari 2He ditemukan pada tahun 2008 di Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, di Italia. Seberkas ion 20Ne diarahkan pada target foil berilium. Tabrakan ini mengubah beberapa inti neon yang lebih berat dalam sinar menjadi inti 18Ne. Inti ini kemudian bertabrakan dengan foil timbal. Tabrakan kedua memiliki efek menarik inti 18Ne ke dalam kondisi yang sangat tidak stabil. Seperti pada percobaan sebelumnya di Oak Ridge, inti 18Ne meluruh menjadi inti 16O, ditambah dua proton yang terdeteksi keluar dari arah yang sama. Eksperimen baru menunjukkan bahwa dua proton awalnya dikeluarkan bersama-sama, berkorelasi dalam konfigurasi 1S quasibound, sebelum meluruh menjadi proton terpisah kurang dari satu nanodetik kemudian.

Bukti lebih lanjut datang dari RIKEN di Jepang dan Joint Institute for Nuclear Research di Dubna, Rusia, di mana berkas inti 6He diarahkan pada target hidrogen kriogenik untuk menghasilkan 5He. Ditemukan bahwa inti 6He dapat menyumbangkan keempat neutronnya kepada hidrogen. Dua proton yang tersisa dapat dikeluarkan secara bersamaan dari target sebagai inti 2He, yang dengan cepat meluruh menjadi dua proton. Reaksi serupa juga telah diamati dari inti 8He yang bertabrakan dengan hidrogen.

2He adalah perantara dalam langkah pertama reaksi berantai proton-proton. Langkah pertama dari reaksi berantai proton-proton adalah proses dua tahap; pertama, dua proton melebur membentuk diproton:
 +  +  → ,
diikuti oleh peluruhan beta-plus langsung dari diproton menjadi deuterium:
 →  +  + ,
dengan rumus keseluruhan
 +  →  +  + .
Efek hipotetis dari pengikatan diproton pada nukleosintesis Ledakan Dahsyat dan bintang telah diselidiki. Beberapa model memperkirakan bahwa variasi gaya kuat yang memungkinkan keberadaan diproton terikat akan memungkinkan konversi semua hidrogen primordial menjadi helium dalam Ledakan Dahsyat, dengan konsekuensi bencana pada perkembangan bintang dan kehidupan. Proposisi ini digunakan sebagai contoh prinsip antropik. Namun, sebuah studi tahun 2009 menunjukkan bahwa kesimpulan seperti itu tidak dapat ditarik, karena diproton yang terbentuk masih akan meluruh menjadi deuterium, yang energi pengikatannya juga akan meningkat. Dalam beberapa skenario, dipostulasikan bahwa hidrogen (dalam bentuk deuterium) masih bisa bertahan dalam jumlah yang relatif besar, membantah argumen bahwa gaya kuat disetel dalam batas antropik yang tepat.

Helium-3

3He adalah isotop stabil dan merupakan satu dari dua isotop stabil selain 1H dengan jumlah proton lebih banyak daripada neutron. (Ada banyak isotop tidak stabil seperti itu, yang paling ringan adalah 7Be dan 8B.) Hanya ada sejumlah kecil () 3He di Bumi, terutama hadir sejak pembentukan Bumi, meskipun beberapa jatuh ke Bumi dan terperangkap dalam debu kosmik. Jumlah renik juga dihasilkan oleh peluruhan beta tritium. Bagaimanpun, di dalam bintang, 3He lebih berlimpah, karena ia produk fusi nuklir. Bahan ekstraplanet, seperti regolit bulan dan asteroid, memiliki jumlah renik 3He dari bombardir angin surya.

Agar helium-3 membentuk superfluida, ia harus didinginkan hingga suhu , atau hampir seribu kali lebih rendah daripada helium-4 (). Perbedaan ini dijelaskan oleh statistik kuantum, karena atom helium-3 adalah fermion, sedangkan atom helium-4 adalah boson, yang lebih mudah mengembun menjadi superfluida.

Helium-4

Isotop helium yang paling umum, 4He, diproduksi di Bumi oleh peluruhan alfa dari unsur radioaktif yang lebih berat; partikel alfa yang muncul adalah inti 4He yang terionisasi penuh. 4He adalah inti yang luar biasa stabil karena nukleonnya tersusun menjadi kulit yang lengkap. Ia juga terbentuk dalam jumlah besar selama nukleosintesis Ledakan Dahsyat.

Helium terestrial terdiri hampir secara eksklusif () dari isotop ini. Titik didih helium-4 sebesar  adalah yang terendah kedua dari semua zat yang diketahui, kedua setelah helium-3. Ketika didinginkan lebih lanjut hingga , ia berubah menjadi keadaan superfluida unik dengan viskositas nol. Ia membeku hanya pada tekanan di atas 25 atmosfer, di mana titik leburnya adalah .

Isotop helium yang lebih berat
Meskipun semua isotop helium yang lebih berat meluruh dengan waktu paruh kurang dari satu detik, para peneliti telah menggunakan tumbukan akselerator partikel untuk menciptakan inti atom yang tidak biasa untuk unsur-unsur seperti helium, litium dan nitrogen. Struktur nuklir yang tidak biasa dari isotop tersebut dapat memberikan wawasan tentang sifat terisolasi dari neutron.

Isotop helium yang berumur paling pendek adalah helium-10 dengan waktu paruh  yoktodetik. Helium-6 meluruh dengan memancarkan partikel beta dan memiliki waktu paruh  milidetik. Isotop helium berat yang paling banyak dipelajari adalah helium-8. Isotop ini, serta helium-6, diperkirakan terdiri dari inti helium-4 normal yang dikelilingi oleh "halo" neutron (mengandung dua neutron dalam 6He dan empat neutron dalam 8He). Inti halo telah menjadi area penelitian yang intens. Isotop hingga helium-10, dengan dua proton dan delapan neutron, telah dikonfirmasi. 10He, meskipun merupakan isotop ajaib ganda, memiliki waktu paruh yang sangat pendek; ia tidak terikat partikel dan hampir seketika meneteskan dua neutron.

Pranala luar
Tabel Umum — abstrak untuk helium dan inti ringan eksotik lainnya

Referensi

Isotop helium
Helium
Helium