Isotop helium

Helium (He) mempunyai lapan isotop yang diketahui, tetapi hanya helium-3 (3He) dan helium-4 (4He) yang stabil. Semua radioisotop yang lain mempunyai jangka hayat pendek; isotop dengan jangka hayat terpanjang dimiliki 6He dengan separuh hayat 806.7 milisaat, manakala yang paling tidak stabil adalah 5He dengan separuh hayat 7.6 × 10-22 saat, tetapi berkemungkinan 2He mempunyai jangka hayat yang lebih pendek.

Di dalam atmosfera Bumi, terdapat satu atom 3He bagi setiap sejuta atom 4He. Namun, helium luar biasa kerana kelimpahan isotopnya jauh berbeza bergantung kepada sumbernya. Di dalam medium antara najam, nisbah 3He adalah kira-kira 100 kali lebih tinggi. Batuan dari kerak Bumi mempunyai nisbah isotop yang berbeza sehingga sepuluh kali ganda; ini digunakan dalam geologi untuk mengkaji asal-usul batu-batu dan komposisi mantel Bumi. Kaedah penghasilan yang berbeza bagi kedua-dua isotop stabil helium menyebabkan perbezaan dalam kelimpahan isotop.

Campuran sama 3He dan 4He cecair di bawah suhu 0.8 K akan terpisah kepada dua fasa yang tidak boleh bercampur disebabkan ketidaksamaan mereka (kedua-dua isotop mengikut statistik kuantum yang berbeza: 4He adalah boson manakala 3He adalah fermion). Peti sejuk pencairan (dilution refrigerators) menggunakan sifat kedua-dua isotop yang tidak boleh bercampur ini untuk mencapai suhu beberapa milikelvin.

Helium-2 (diproton)
Helium-2, He-2 atau 2He, juga dikenali sebagai diproton, ialah sejenis isotop helium yang sangat tidak stabil yang terdiri daripada dua proton dan tiada neutron. Menurut kiraan-kiraan secara teori, ia boleh jadi lebih stabil (walaupun akhirnya akan mereput beta kepada deuterium) sekiranya daya kuat adalah 2% lebih tinggi.R.A.W. Bradford, J. Astrophys. Astr. (2009) 30, 119–131 The Effect of Hypothetical Diproton Stability on the Universe Ketidakstabilannya berpunca daripada interaksi spin-spin dalam daya nuklear dan prinsip pengecualian Pauli yang memaksa kedua-dua proton memiliki spin tidak selari dan memberikan diproton tenaga pengikatan negatif.“Nuclear Physics in a Nutshell”, C.A. Bertulani, Princeton University Press, Princeton, NJ, 2007, Chapter 1,  ISBN 978-0-691-12505-3.

Mungkin telah ada pemerhatian 2He. Pada tahun 2000, ahli-ahli fizik pertama kali memerhati sejenis pereputan nuklear yang baru di mana satu nukleus memancarkan dua proton serentak - berkemungkinan nukleus 2He.Physicists discover new kind of radioactivity, in physicsworld.com Oct 24, 2000Decay of a Resonance in 18Ne by the Simultaneous Emission of Two Protons, Physical Review Letters vol.86, p.43-46 (2001), by J. Gómez del Campo, A. Galindo-Uribarri et al. Kumpulan yang diketuai oleh Alfredo Galindo-Uribarri dari Makmal Kebangsaan Oak Ridge ini telah mengumumkan bahawa penemuan ini boleh membantu para saintis memahami tenaga nuklear kuat dan memberikan pandangan baru terhadap penghasilan unsur-unsur kimia di dalam bintang-bintang. Galindo-Uribarri dan rakan-rakan sekerjanya memilih satu isotop neon dengan struktur tenaga yang menghalangnya daripada memancarkan proton satu demi satu. Ini bermaksud yang dua proton dilenting keluar serentak. Kumpulan ini melancarkan satu pancaran ion fluorin pada satu sasaran kaya proton untuk menghasilkan 18Ne, yang kemudiannya mereput dan menghasilkan oksigen dan dua proton. Mana-mana proton yang dilenting dari sasaran telah dikesan dengan tenaga-tenaga tertentu mereka. Ada dua cara pancaran dua proton boleh berlaku; nukleus neon itu mungkin memancarkan satu 'diproton'—sepasang proton yang terikat bersama dalam bentuk nukleus 2He—yang kemudiannya mereput kepada dua proton berbeza, atau mungkin proton-proton ini dipancarkan secara berasingan tetapi pada masa yang sama dalam apa yang dipanggil 'pereputan demokratik'. Uji kaji ini tidak cukup sensitif untuk menentukan yang mana satu antara kedua-dua proses ini yang berlaku.

Bukti terbaik bagi 2He telah ditemui pada 2008 di Institut Fizik Nuklear Kebangsaan, Itali.New Form of Artificial Radioactivity  Inside Physics Research—Science News Update Number 865 #2, May 29, 2008 by Phil ScheweG.Raciti et al., Physical Review Letters 100, 195203–06 (2008) "Experimental Evidence of 2He Decay from 18Ne Excited States" Satu pancaran 20Ne telah dilagakan dengan satu kerajang berilium. Dalam pelanggaran ini sesetengah atom neon telah bertukar kepada nukleus 18Ne. Nukleus yang sama ini kemudiannya berlanggar dengan kerajang plumbum. Pelanggaran kedua menyebabkan nukleus 18Ne terangsang dan berada dalam keadaan yang sangat tidak stabil. Seperti dalam uji kaji di Oak Ridge, nukleus 18Ne mereput dan membentuk 16O dan dua proton yang dikesan keluar dari arah yang sama. Uji kaji ini menunjukkan yang dua proton dipancarkan bersama-sama pada mulanya, bergandingan dalam konfigurasi 1S separa terikat, sebelum mereput kepada proton-proton berasingan kurang daripada satu per sebilion saat kemudian.

Selain itu, di RIKEN, Jepun dan JINR di Dubna, Russia, sewaktu penghasilan 5He dengan pelanggaran antara satu pancaran nukleus 6He dan sasaran hidrogen kriogenik, telah didapati bahawa nukleus 6He boleh menyumbang keempat-empat neutronnya kepada atom hidrogen. Ini meninggalkan dua proton yang mungkin dilenting keluar serentak dari sasaran sebagai nukleus 2He, yang mereput dengan pantas kepada dua proton. Tindak balas yang sama juga telah diperhatikan daripada pelanggaran nukleus 8He dengan hidrogen.

2He adalah perantaraan dalam langkah pertama tindak balas berantai proton-proton. Langkah pertama tindak balas berantai proton-proton ialah proses dua langkah; pertama, dua proton melakur untuk menghasilkan diproton:

{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ ||
|}

diikuti oleh pereputan beta tambah pantas diproton kepada deuterium:

{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||→ || ||+ || ||+ ||
|}

dengan formula keseluruhan:

{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ || ||+ || ||+ || ||+ ||
|}

Bradford telah mempertimbangkan kesan hipotetikal isotop ini kepada Letupan Besar dan sintesis nuklear najam.

Helium-3

Hanya terdapat sejumlah kecil 3He di Bumi (0.000137%), kebanyakannya wujud sejak zaman pembentukan Bumi, dan sesetengahnya terperangkap dalam debu kosmik dan jatuh ke Bumi. Sebahagian kecil jumlahnya juga dihasilkan oleh pereputan beta tritium. Namun, 3He, yang merupakan hasil pelakuran nuklear, lebih banyak terdapat di dalam bintang-bintang. Bahan-bahan ekstraplanet seperti regolit Bulan dan asteroid mengandungi jumlah 3He yang kecil daripada pelanggaran oleh angin suria.

Helium-3 perlu disejukkan pada suhu 0.0025 K untuk menghasilkan bendalir super, atau seribu kali lebih rendah daripada helium-4 (2.17 K). Perbezaan ini dijelaskan melalui statistik kuantum, kerana atom-atom helium-3 adalah fermion manakala atom-atom helium-4 adalah boson yang memeluwap menbentuk bendalir super dengan lebih mudah.

Helium-4

Isotop helium yang paling biasa, 4He, dihasilkan di Bumi melalui pereputan alfa unsur-unsur radioaktif yang lebih berat; zarah-zarah alfa yang dipancarkan adalah nukleus 4He yang terion sepenuhnya. 4He adalah nukleus yang luar biasa kestabilannya kerana nukleon-nukleonnya tersusun dalam petala-petala lengkap. Ia juga dihasilkan dengan banyak sewaktu sintesis nuklear Letupan Besar.

Helium di Bumi hampir sepenuhnya mengandungi isotop ini (99.99986%). Takat didihnya, 4.2 K, adalah takat didih yang terendah antara semua bahan yang diketahui. Apabila disejukkan hingga 2.17 K, ia bertukar kepada bendalir super dengan kelikatan sifar. Ia menjadi pepejal hanya pada tekanan lebih tinggi daripada 25 atmosfera, di mana takat leburnya adalah 0.95 K.

Helium-5
Helium-5 ialah isotop helium yang ada masa jangka yang paling kecil,7 x10-22 saat.Ia akan merebut ke helium-4 dan satu neutron.

Rujukan

Pautan luar
 General Tables — abstrak untuk helium dan nukleus-nukleus eksotik ringan yang lain

Kategori:Helium

Helium