Изотопи на хелиумот

Хелиум (He) (стандардна атомска тежина: ) има девет познати изотопи, но само хелиум-3 (He) и хелиум-4 (He) се стабилни. Сите радиоизотопи се краткотрајни; најдолготрајниот е He со полураспад . Најмалку стабилен е He, со полураспад, иако He може да има уште пократок полуживот.
Во атмосферата на Земјата, односот He спрема He е . Сепак, изотопското изобилство на хелиум варира во голема мера во зависност од неговото потекло. Во Месниот Меѓуѕвезден Облак, пропорцијата од He до He е , што е ~121 пати повисоко отколку во атмосферата на Земјата. Карпите од Земјината кора имаат сооднос на изотопи кои се разликуваат со фактор од десет; ова се користи во геологијата за да се испита потеклото на карпите и составот на обвивката на Земјата. Различните процеси на формирање на двата стабилни изотопи на хелиум произведуваат различни изобилства на изотопи.
Еднакви мешавини на течност He и He под 0,8 се делат во две немешаливи фази поради разликите во квантната статистика: He атомите се бозони додека He атомите се фермиони.
Мешавина од двата изотопи спонтано се дели на региони богати со He и региони богати со He. Фазно раздвојување постои и во ултраладните гасни системи. Експериментално е прикажано во двокомпонентна ултраладна кутија со Фермиевиот гас. Фазното раздвојување може да се натпреварува со други феномени како формирање на вителски решетки или егзотична фаза Фулде-Ферел-Ларкин-Овчиников.
1 Список на изотопи
He, 2, 0, ≪ , p (> ), H, 0+#
β (< ), H
He, 2, 1, Stable, 1/2+, , [, ]
He, 2, 2, Stable, 0+, , [, ]
He, 2, 3, [], n, He, 3/2−
He, 2, 4, β (%), Li, 0+
βd (%), He
He, 2, 5, [], n, He, (3/2)−
He, 2, 6, β, Li, 0+
βn, Li
βt, He
He, 2, 7, n, 1/2(+)
He, 2, 8, [], 2n, He, 0+
2 Хелиум-2 (дипротон)
Хелиум-2, He е крајно нестабилен. Неговото јадро, дипротон, се состои од два протони без неутрони. Според теоретските пресметки, би било многу постабилно (но сепак β +</sup> распаѓање до деутериум) доколку силното заемодејство е 2% поголема. Неговата нестабилност се должи на спин-спин взаемните дејства во јадрената сила и принципот на исклучување на Паули, кој вели дека во даден квантен систем две или повеќе идентични честички со исти вртења (т.е. фермиони) не можат истовремено да заземаат иста квантна состојба; така што He е два протона имаат спротивно подредени вртења и самиот дипротон има негативна енергија на сврзување.
He можеби бил забележан. Во 2000 година, физичарите првпат забележале нов тип на радиоактивно распаѓање во кое јадрото емитира два протона одеднаш - можеби He.
Тимот предводен од Алфредо Галиндо-Урибари од Националната лабораторија Оук Риџ објавил дека откритието ќе помогне да се разбере силната јадрена сила и да се обезбеди свеж увид во ѕвездената нуклеосинтеза. Галиндо-Урибари и соработниците избрале изотоп на неон со енергетска структура што го спречува да емитува протони еден по еден. Ова значи дека двата протони се исфрлаат истовремено. Тимот испукал зрак од јони на флуор кон цел богата со протон за да произведеNe, кои потоа се распаѓаат во кислород и два протони. Сите протони исфрлени од самата цел биле идентификувани според нивните карактеристични енергии. Емисијата од два протони може да продолжи на два начина: неонот може да исфрли дипротон, кој потоа се распаѓа во посебни протони, или протоните може да се емитираат одделно, но истовремено во „демократско распаѓање“. Експериментот не бил доволно чувствителен за да се утврди кој од овие два процеса се случува.
Повеќе докази за He бил пронајден во 2008 година во Националниот институт за јадрена физика, во Италија. Зрак од Ne јони бил насочен кон цел од берилиумова фолија. Овој судир претворил некои од потешките неонски јадра во зракот во Ne јадра. Овие јадра потоа се судриле со фолија од олово. Вториот судир го возбудил јадрото Ne во многу нестабилна состојба. Како и во претходниот експеримент во Оук Риџ, јадрото Ne се распаднало во јадро O, плус два протони откриени кои излегуваат од иста насока. Новиот експеримент покажал дека двата протони првично биле исфрлени заедно, во соднос во квазиврзана конфигурација S, пред да се распаднат во посебни протони многу помалку од една наносекунда подоцна.
Дополнителни докази доаѓаат од Рикен во Јапонија и Заедничкиот институт за јадрени истражувања во Дубна, Русија, каде што зраците од He јадра биле насочени кон криогена водородна цел за да произведат H. Откриено е дека He може да ги донира сите четири свои неутрони на водородот. Двата преостанати протони може истовремено да се исфрлат од целта како дипротон, кој брзо се распаѓа на два протона. Слична реакција е забележана и од He јадра кои се судираат со водород.
Под влијание на електромагнетните заемни дејства, примитивите Јафе-Лоу може да го напуштат унитарниот пресек, создавајќи тесни двонуклеонски резонанции, како дипротонска резонанца со маса од 2000 MeV и ширина од неколку стотици keV. За да се бара оваа резонанца, потребен е зрак од протони со кинетичка енергија 250 MeV и распространета енергија под 100 keV, што е изводливо со оглед на електронското ладење на зракот.
He е среден во првиот чекор од синџирот протон-протон. Првиот чекор на синџирот протон-протон е процес во две фази: прво, два протони се спојуваат формирајќи дипротон:
: H + H + → He;
тогаш дипротонот веднаш бета-плус се распаѓа во деутериум:
: He → H + e + ν + ;
со целокупната формула
: H + H → H + e + ν + .
Истражен е хипотетичкиот ефект на врзан дипротон врз Големата експлозија и ѕвездената нуклеосинтеза. Некои модели сугерираат дека варијации во силната сила што дозволува врзан дипротон ќе овозможи замена на целиот исконски водород во хелиум во Големата експлозија, што би било катастрофално за развојот на ѕвездите и животот. Овој поим е пример за антропскиот принцип. Сепак, едно испитување од 2009 година сугерира дека таков заклучок не може да се донесе, бидејќи формираниот дипротон сепак би се распаѓал во деутериум, чијашто енергија на врзување исто така би се зголемила. Во некои сценарија, се претпоставува дека водородот (во форма на H) сепак може да преживее во големи количини, побивајќи ги аргументите дека големата сила е наместена во прецизна антропска граница.
3 Хелиум-3
He е единствениот стабилен изотоп освен H со повеќе протони од неутроните. (Има многу такви нестабилни изотопи; најлесните се Be и B.) Има само трага (~2 ppm) од He на Земјата, главно присутна од формирањето на Земјата, иако некои паѓаат на Земјата заробени во космичка прашина. Количините во трагови се произведуваат и со бета распаѓањето на тритиумот. Во ѕвездите, сепак, He е пообилен, производ на јадрено соединување. Вонпланетарниот материјал, како што е месечевиот и астероидниот реголит, има траги од He од бомбардирањето на сончевиот ветер.
За да стане суперфлуид, He мора да се излади до 2,5 мили келвини, ~ 900 пати помалку од He ( ). Оваа разлика се објаснува со квантната статистика: He атомите се фермиони, додека He атомите се бозони, кои полесно се кондензираат во суперфлуид.
4 Хелиум-4
Најчестиот изотоп, He, се произведува на Земјата преку алфа распаѓање на потешки елементи; алфа-честичките што се појавуваат се целосно јонизирани He јадра. He е невообичаено стабилно јадро. Се формирало во огромни количини во нуклеосинтезата на Биг Бенг.
Копнениот хелиум се состои речиси исклучиво (сите освен ~ 2 ppm) од He. He е точка на вриење од е најниската од сите познати супстанции освен He. Кога дополнително ќе се излади до , станува единствен суперфлуид со нула вискозитет. Се зацврстува само при притисок над 25 атмосфери, каде што се топи на
5 Потешки изотопи на хелиум
Иако сите потешки изотопи на хелиум се распаѓаат со полураспад од <1 секунда, се користат судири на забрзувачи на честички за да се создадат необични јадра на елементи како што се хелиум, литиум и азот. Невообичаените јадрени структури на таквите изотопи може да понудат увид во изолираните својства на неутроните и физиката надвор од Стандардниот модел.
Најкраткотрајниот изотоп е He со полуживот ~ 260 јоктосекунди. He има бета распад со полуживот од 807 милисекунди. Најшироко проучуван тежок изотоп на хелиум е He. He и He смета дека се состојат од нормално јадро He опкружено со неутронски „ореол“ (од два неутрони во He и четири неутрони во He). Хало-јадрата станале област на интензивно истражување. Потврдени се изотопи до He, со два протони и осум неутрони. He, и покрај тоа што е двојно магичен изотоп, не е врзан за честички и скоро веднаш испушта два неутрони.