헬륨 동위 원소

헬륨(He)은 9개의 알려진 동위 원소를 가지고 있지만, 헬륨-3(He)과 헬륨-4(He)만이 안정하다. 모든 방사성 동위 원소는 수명이 짧으며, 입자로 결합된 핵종은 반감기가 806.9밀리초와 119.5밀리초인 He과 He뿐이다.

지구 대기 중 He 대 He의 비율은 이다. 그 외 보통 헬륨의 동위 원소 존재비는 그 기원에 따라 크게 달라지지만 헬륨-4는 항상 훨씬 더 많다. 국부 성간 구름에서 He 대 He의 비율은 로, 이는 지구 대기보다 약 120배 높다. 지구 지각의 암석은 동위 원소 비율이 최대 10배까지 다양하며, 이는 지질학에서 암석의 기원과 지구 맨틀의 조성을 조사하는 데 사용된다. 헬륨의 두 안정 동위 원소의 서로 다른 형성 과정은 다른 동위 원소 존재비를 생성한다.

 이하의 액체 He와 He의 등량 혼합물은 양자 통계의 차이로 인해 두 개의 섞이지 않는 상으로 분리된다. He 원자는 보손이고 He 원자는 페르미온이기 때문이다. 희석냉동기는 이 두 동위 원소의 섞이지 않는 특성을 활용하여 몇 밀리켈빈만큼 낮은 온도로 냉각시킨다.

두 동위 원소의 혼합물은 자발적으로 He가 풍부한 영역과 He가 풍부한 영역으로 분리된다. 상 분리는 초저온 기체 시스템에서도 존재한다. 이는 두 성분 초저온 페르미 기체의 경우 실험적으로 입증되었다. 상 분리는 소용돌이 격자 형성이나 이국적인 풀데-페렐-라킨-오브치니코프 상과 같은 다른 현상과 경쟁할 수 있다.

 동위 원소 목록 

|-
| rowspan=2|He
| rowspan=2 style="text-align:right" | 2
| rowspan=2 style="text-align:right" | 0
| rowspan="2" | 
| rowspan=2 | ≪ 
| p (> )
| H
| rowspan=2 | 0+#
| rowspan=2 |
| rowspan=2 |
|-
| β (< )
| H
|-
| He
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 1
| 
| colspan=3 align=center|안정
| 1/2+
| 
| [, ]
|-
| He
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 2
| 
| colspan=3 align=center|안정
| 0+
| 
| [, ]
|-
| He
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 3
| 
| []
| n
| He
| 3/2−
|
|
|-
| rowspan=2|He
| rowspan=2 style="text-align:right" | 2
| rowspan=2 style="text-align:right" | 4
| rowspan=2|
| rowspan=2|
| β (%)
| Li
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
| rowspan=2|
|-
| βd (%)
| He
|-id=Helium-7
| He
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 5
| 
| []
| n
| He
| (3/2)−
|
|
|-
| rowspan=3|He
| rowspan=3 style="text-align:right" | 2
| rowspan=3 style="text-align:right" | 6
| rowspan=3|
| rowspan=3|
| β ()
| Li
| rowspan=3|0+
| rowspan=3|
| rowspan=3|
|-
| βn ()
| Li
|-
| βt ()
| He
|-id=Helium-9
| He
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 7
| 
| 
| n
| 
| 1/2(+)
|
|
|-
| He
| style="text-align:right" | 2
| style="text-align:right" | 8
| 
| []
| 2n
| He
| 0+
|
|

 헬륨-2 (다이양성자) 
헬륨-2, He는 극히 불안정하다. 그 핵인 쌍양성자는 중성자 없이 두 개의 양성자로 구성된다. 이론적 계산에 따르면, 강한 상호작용이 2% 더 강하다면 훨씬 더 안정적일 것이다(하지만 여전히 β 붕괴하여 중수소가 된다). 그 불안정성은 핵력의 스핀-스핀 상호작용과 주어진 양자 계 내에서 동일한 반정수 스핀(즉, 페르미온)을 가진 두 개 이상의 동일한 입자가 동시에 동일한 양자 상태를 차지할 수 없다는 파울리 배타 원리 때문이다. 따라서 He의 두 양성자는 스핀이 반대 방향으로 정렬되어 있고, 다이양성자 자체는 음의 결합 에너지를 가진다.

He는 관측되었을 수도 있다. 2000년, 물리학자 연구진은 핵이 한 번에 두 개의 양성자를 방출하는 새로운 유형의 방사성 붕괴를 처음으로 관측했는데, 이는 아마도 He로 추정된다. 오크리지 국립연구소의 알프레도 갈린도-우리바리(Alfredo Galindo-Uribarri)가 이끄는 연구진은 이 발견이 강한 핵력을 이해하고 항성 핵합성에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 것이라고 발표했다. 갈린도-우리바리와 동료는 네온 동위 원소 중 양성자를 한 번에 하나씩 방출하는 것을 막는 에너지 구조를 가진 것을 선택했다. 이는 두 양성자가 동시에 방출된다는 것을 의미한다. 이 팀은 플루오린 이온 빔을 양성자가 많은 표적에 발사하여 Ne을 생성했으며, 이는 산소와 두 양성자로 붕괴했다. 표적 자체에서 방출된 양성자는 그 특유의 에너지로 식별되었다. 두 양성자 방출은 두 가지 방식으로 진행될 수 있다. 네온이 다이양성자를 방출한 다음, 이 다이양성자가 개별 양성자로 붕괴하거나, 양성자가 개별적으로 동시에 "민주적 붕괴" 방식으로 방출될 수 있다. 이 실험은 이 두 과정 중 어느 것이 일어나는지 확립할 만큼 민감하지 않았다.

He에 대한 추가 증거는 2008년 이탈리아 이탈리아 국립 핵물리 연구소에서 발견되었다. Ne 이온 빔이 베릴륨 박막 표적에 조사되었다. 이 충돌로 빔의 무거운 네온 핵 중 일부가 Ne 핵으로 전환되었다. 이 핵은 다시 납 박막과 충돌했다. 두 번째 충돌은 Ne 핵을 매우 불안정한 상태로 여기시켰다. 오크리지에서의 이전 실험과 마찬가지로 Ne 핵은 O 핵과 함께 동일한 방향으로 방출되는 두 개의 양성자로 붕괴했다. 새로운 실험은 두 양성자가 처음에는 함께 방출되어 준결합 S 구성으로 상관관계를 가졌다가, 나노초보다 훨씬 짧은 시간 내에 개별 양성자로 붕괴한다는 것을 보여주었다.

추가 증거는 일본이화학연구소와 러시아두브나합동원자핵연구소에서 나왔는데, 그곳에서는 He 핵 빔이 극저온 수소 표적에 조사되어 H를 생성했다. He가 네 개의 중성자 모두를 수소에 기증할 수 있다는 것이 발견되었다. 남은 두 양성자는 쌍양성자로 표적에서 동시에 방출될 수 있으며, 이는 빠르게 두 양성자로 붕괴한다. 유사한 반응은 He 핵이 수소와 충돌하는 경우에도 관찰되었다.

전자기 상호작용의 영향으로, 자페-로 원시 입자는
단위 절단을 벗어나 2000 MeV의 질량과 수백 keV의 폭을 가진 다이양성자 공명과 같은 좁은 두 핵자 공명을 생성할 수 있다.
이 공명을 찾기 위해서는 운동 에너지 250 MeV, 에너지 확산 100 keV 이하의 양성자 빔이 필요하며, 이는 빔의 전자 냉각을 고려할 때 실현 가능하다.

He는 양성자-양성자 연쇄 반응의 첫 번째 단계에서 중간체이다. 양성자-양성자 연쇄 반응의 첫 번째 단계는 두 단계 과정이다. 먼저 두 양성자가 융합하여 쌍양성자를 형성한다.
H + H + → He
확률이 낮은 가지에서는 쌍양성자가 β 붕괴하여 중수소가 된다.
He → H + e + ν + 
전체 공식은 다음과 같다.
H + H → H + e + ν + .
99.99% 이상의 확률로 쌍양성자는 두 양성자로 다시 핵분열한다. 결합된 쌍양성자가 대폭발과 항성 핵합성에 미치는 가상의 영향은 조사되었다. 일부 모델은 결합된 쌍양성자를 허용하는 강한 핵력의 변화가 대폭발에서 모든 원시 수소를 헬륨으로 전환하게 하여, 별과 생명체의 발달에 치명적일 것이라고 제안한다. 이 개념은 인류 원리의 한 예이다. 그러나 2009년 연구는 그러한 결론을 내릴 수 없다고 제안한다. 형성된 쌍양성자가 여전히 중수소로 붕괴하고, 중수소의 결합 에너지 또한 증가할 것이기 때문이다. 일부 시나리오에서는 수소(H의 형태)가 여전히 많은 양으로 살아남을 수 있다고 가정하여, 강한 핵력이 정밀한 인류학적 한계 내에서 조정된다는 주장을 반박한다.

 헬륨-3 

He는 중성자보다 양성자가 많은 H를 제외하고 유일한 안정 동위 원소이다. Be 및 B와 같은 불안정한 동위 원소가 많이 있다. 지구에는 미량(~2ppm)의 He가 존재하며, 이는 주로 지구 형성 이후부터 있었던 것이지만, 일부는 우주 먼지에 갇혀 지구로 떨어진다. 미량은 삼중수소의 베타 붕괴로도 생성된다. 그러나 항성에서는 핵융합의 산물인 He가 더 풍부하다. 달과 소행성레골리스와 같은 외계 물질은 태양풍 폭격으로 인한 He의 흔적을 가지고 있다.

He가 초유체가 되려면 He()보다 약 900배 낮은 2.5밀리켈빈까지 냉각되어야 한다. 이 차이는 양자 통계로 설명된다. He 원자는 페르미온인 반면, He 원자는 보손으로, 더 쉽게 초유체로 응축된다.

 헬륨-4 

가장 흔한 동위 원소인 He는 지구에서 무거운 원소의 알파 붕괴로 생성된다. 이때 방출되는 알파 입자는 완전히 이온화된 He 핵이다. He는 이중 마법수이기 때문에 비정상적으로 안정적인 핵이다. 이것은 대폭발 핵합성에서 엄청난 양으로 형성되었다.

지구의 헬륨은 거의 전적으로(~2ppm을 제외하고) He로 구성된다. He의 끓는점인 는 He를 제외한 모든 알려진 물질 중에서 가장 낮다. 까지 더 냉각되면 점성이 0인 독특한 초유체가 된다. 25기압 이상의 압력에서만 고체화되며, 이때 에서 녹는다.

 헬륨-5 
섬네일|T-15 토카막을 기념하는 1987년 소련 우표는 중수소-삼중수소 핵융합 중 헬륨-5 핵을 묘사한다.|left
섬네일|주요 핵융합 반응의 단면적. 헬륨-5의 공명이 없었다면 DT 반응은 DD 반응과 비슷했을 것이다.

헬륨-5는 극도로 불안정하며, 602 요크토초의 반감기로 헬륨-4로 붕괴한다. 이는 유리한 핵융합 반응에서 잠시 생성된다.

이 반응은 공명의 존재로 그 가능성이 크게 높아진다. 0 MeV 기저 상태에서 자연 스핀 상태가 -3/2인 헬륨-5는 16.84 MeV에서 +3/2의 여기 스핀 상태를 갖는다. 반응이 이 상태에 가까운 에너지 준위를 가진 헬륨-5 핵을 생성하기 때문에 더 자주 발생한다. 이는 맨해튼 계획을 위해 핵융합 반응의 무기화를 조사하던 에곤 브레처가 발견했다.

DT 반응은 관련 에너지에서 DD 반응보다 100배 더 가능성이 높지만, 공명이 없었다면 비슷했다고 추정된다. H-He 반응은 리튬-5의 유사한 공명으로부터 이점을 얻지만, 쿨롱 억제를 받는다. 즉, +2 헬륨 핵 전하가 핵융합 핵에 대한 정전기 반발력을 증가시킨다.

 헬륨-6과 헬륨-8 
두 동위원소는 헬륨의 수명이 긴 방사성 동위 원소이다. 헬륨-6은 806.9밀리초의 반감기로 베타 붕괴하며, 헬륨-8은 119.5밀리초의 반감기로 붕괴하지만, 후자의 경우 추가 입자 방출이 가능하고 상당하다. He와 He는 일반적인 He 핵이 중성자 "헤일로" (He에서는 두 개의 중성자, He에서는 네 개의 중성자)로 둘러싸여 있는 것으로 생각된다. 헤일로 핵의 특이한 구조는 중성자의 고립된 특성과 표준 모형 이후의 물리학에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.

 같이 보기 
헬륨 외 붕괴 생성물
 리튬 동위 원소
 수소 동위 원소

 각주 

분류:헬륨
 
분류:원소별 동위 원소 목록