Helium-3

Helium-3 (He-3, 3He) ialah isotop helium yang tidak radioaktif dengan dua proton dan satu neutron. Ia jarang didapati di Bumi, dan ia dicari untuk kegunaan dalam kajian lakuran nuklear. Kelimpahan helium-3 dikatakan adalah lebih banyak di Bulan (ditanam di dalam lapisan atas regolith oleh angin suria selama berbilion tahun), namun masih lagi rendah kuantitinya (28 ppm regolith qamari adalah helium-4 dan 1-50 ppb adalah helium-3), dan juga dalam gergasi-gergasi gas sistem suria ini (tinggalan daripada nebula suria asal).

Helion, nukleus atom helium-3, terdiri daripada dua proton tetapi hanya satu neutron, berbanding dengan dua neutron dalam helium biasa. Kewujudan hipotetikalnya pertama kali diramalkan oleh ahli fizik nuklear Australia, Mark Oliphant pada tahun 1934 ketika beliau bekerja di Makmal Cavendish Universiti Cambridge. Oliphant telah menjalankan uji kaji di mana deuteron laju berlanggar dengan sasaran deuteron (ini juga merupakan demonstrasi pertama lakuran nuklear).

Helium-3 diramalkan merupakan sejenis isotop radioaktif sehinggalah helion ditemui dalam sampel-sampel helium semula jadi yang kebanyakannya terdiri daripada helium-4 yang diambil dari atmosfera bumi dan dari telaga-telaga gas asli. Ini telah dilakukan oleh Luis W. Alvarez dan Robert Cornog dalam uji kaji siklotron di Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley di California pada tahun 1939.

Walaupun helium-3 kira-kira 10,000 kali lebih jarang daripada helium-4 dalam telaga-telaga gas, kewujudannya dalam deposit gas bawah tanah bermaksud sama ada ia tidak mereput atau ia mempunyai separuh hayat yang sangat panjang – berbilion-bilion tahun lamanya. Hanya hidrogen-1 dan helium-3 isotop-isotop stabil yang mempunyai lebih proton daripada neutron.

Helium-3 didapati sebagai nuklid azali yang terlepas dari kerak Bumi ke atmosfera dan seterusnya ke angkasa lepas selama berjuta-juta tahun. Helium-3 juga dikatakan nuklid nukleogenik dan kosmogenik semula jadi. Nuklid-nuklid ini dibentuk oleh pembelahan spontan dan oleh tindak balas nuklear dengan sinar kosmos. Sesetengah helium-3 yang ditemui dalam atmosfera Bumi merupakan tinggalan ujian senjata nuklear di atmosfera dan di bawah laut yang dijalankan oleh tiga kuasa besar dunia sebelum 1963. Kebanyakannya datang daripada pereputan tritium (hidrogen-3) dengan separuh hayat 12.3 tahun yang mereput kepada helium-3. Tambahan lagi, sesetengah reaktor nuklear (di atas darat atau di dalam kapal) melepaskan sedikit helium-3 dan tritium ke atmosfera secara berkala, terutamanya apabila ada sesuatu yang tidak kena. Bencana reaktor nuklear di Chernobyl melepaskan sejumlah besar tritium ke atmosfera, dan masalah-masalah kecil menyebabkan pelepasan yang sedikit. Sejumlah besar tritium dan helium-3 telah dihasilkan secara sengaja dalam reaktor-reaktor nuklear kebangsaan melalui penyinaran radiasi kepada litium-6. Tritium ini digunakan untuk "menguatkan" senjata nuklear, dan sebahagiannya akhirnya terlepas sewaktu penghasilan, pengangkutan atau penyimpanannya. Oleh itu, helium-3 memasuki atmosfera melalui pelepasan secara terus dan juga melalui pereputan radioaktif tritium. Sejumlah besar kedua-dua gas ini telah dihasilkan dan dilepaskan oleh apa yang sebelum ini Kesatuan Soviet, Rusia, United Kingdom dan Republik Perancis.

Helium-3 dicadangkan sebagai bahan api generasi kedua bagi lakuran nuklear dalam loji kuasa lakuran, tetapi loji-loji seperti ini masih lagi awal dalam pembangunannya—terutamanya kerana reaktor-reaktor generasi pertama masih lagi tidak digunakan. Helium-3 boleh digunakan dalam alat-alat untuk pengesanan neutron-neutron bebas, seperti neutron yang bocor dari reaktor-reaktor nuklear.

Ciri-ciri fizikal
Oleh kerana jisim atomnya yang rendah sebanyak 3.02 unit jisim atom, helium-3 mempunyai beberapa ciri fizikal yang berbeza daripada helium-4 yang mempunyai jisim 4.00 unit jisim atom. Disebabkan interaksi dwikutub–dwikutub lemah dan dikenakan antara atom-atom helium, ciri-ciri fizikal makroskopiknya kebanyakannya ditentukan oleh tenaga titik sifarnya (tenaga kinetik keadaan asas). Ciri-ciri makroskopik helium-3 juga menyebabkannya mempunyai tenaga titik sifar yang lebih tinggi daripada helium-4. Ini menunjukkan bahawa helium-3 boleh mengatasi interaksi dwikutub–dwikutub dengan tenaga haba yang lebih rendah daripada helium-4.

Kesan kuantum mekanik ke atas helium-3 dan helium-4 berbeza kerana dengan dua proton, dua neutron dan dua elektron, helium-4 mempunyai "spin" keseluruhan sifar yang menjadikannya boson, tetapi dengan kurang satu neutron, helium-3 mempunyai spin keseluruhan campur tolak satu setengah, menjadikannya fermion.

Helium-3 mendidih pada suhu 3.19 K berbanding dengan helium-4 pada suhu 4.23 K, dan takat kritikalnya juga lebih rendah iaitu pada 3.35 K, berbanding dengan helium-4 pada 5.2 K. Helium-3 mempunyai kurang daripada setengah kepadatan pada takat didihnya: 59 gram seliter berbanding 125 gram seliter bagi helium-4 — pada tekanan satu atmosfera. Tenaga pengewapan terpendamnya juga lebih rendah iaitu 0.026 kilojoule per mol berbanding dengan 0.0829 kilojoule per mol bagi helium-4.

Rujukan

Isotop helium
Bahan api lakuran nuklear