هلیوم
ویژگی‌ها > حالت اتمی > پایداری هسته هلیوم-۴

هسته اتم هلیوم-۴ برابر یک ذره آلفا است. آزمایش‌های انرژی بالای تفرق الکترونی نشان می‌دهد که بار هسته همانند چگالی ابر الکترون هرچه از مرکز اتم دور شویم کمتر می‌شود. این تقارن در توزیع بار نمایان‌گر یکی از اصول زیربنایی فیزیک است. اصلی که می‌گوید دو نوترون و دو پروتون موجود در هسته اتم هلیوم همانند دو الکترونی که به دور هسته می‌چرخند، از قواعد یکسان کوانتومی پیروی می‌کنند اگرچه نوع پتانسیل پیوندی هسته‌ای برای ذره‌های هسته‌ای متفاوت است، به‌طوری که همه این فرمیون‌ها به‌شکل کامل اوربیتال‌های 1s را اشغال می‌کنند و هیچ‌کدام دارای ممان زاویه‌ای اوربیتالی نیستند، چراکه هر یک اسپین ذاتی دیگری را خنثی می‌کنند. افزودن به هر کدام از این ذره‌ها، نیازمند ممان زاویه‌ای است و در نتیجه آن، انرژی کمتری آزاد می‌کند در حقیقت، هیچ هسته‌ای با پنج ذره هسته‌ای پایدار نیست. این آرایش از لحاظ انرژی برای همه این ذره‌ها بسیار پایدار است و این پایداری عامل حقایق بسیار مهمی در مورد ذات و طبیعت هلیوم است. برای مثال پایداری و انرژی کم ابر الکترونی در هلیوم عامل بی‌میلی و واکنش پذیری بسیار کم این اتم است. همچنین، عدم برهم‌کنش اتم‌های هلیوم با یکدیگر، موجب می‌شود که هلیوم دارای پایین‌ترین نقطه ذوب و جوش در بین تمامی عناصر باشد.
به‌صورت مشابهی، پایداری ویژه ذره‌های هسته‌ای هلیوم-۴ از لحاظ انرژی، موجب ایجاد اثرات مشابهی می‌شود که در نتیجه آن، تولید هلیوم-۴ بر اثر واکنش‌های اتمی در فرایندهای هم‌جوشی یا شکافت ذره‌های سنگین آسان می‌شود. برخی از اتم‌های پایدار هلیوم-۳ (۲ پروتون و ۱ نوترون)، در واکنش هم‌جوشی هیدروژن تولید می‌شوند. با این‌حال، مقدار تولید شده در مقایسه با هلیوم-۴ که محصول بسیار مطلوب‌تری به حساب می‌آید، بسیار کم است و کسر بسیار کوچکی را شامل می‌شود. پایداری غیرمعمولی هسته هلیوم-۴ از لحاظ کیهان‌شناسی دارای اهمیت است، چراکه این پایداری، این حقیقت را توضیح می‌دهد که در چند دقیقه اول پس از مه‌بانگ، مخلوط اولیه کیهانی مملو از پروتون‌ها و نوترون‌ها با نسبت شش به یک، تا دمایی سرد شد که امکان تشکیل پیوندهای هسته‌ای فراهم شد و تقریباً تمامی ترکیب‌های اتمی اولیه مصرف شدند تا هسته هلیوم-۴ تشکیل شود.
قدرت اتصال اجزای هلیوم-۴ و میزان پایداری کلی آن به قدری زیاد بود که موجب شد تقریباً تمامی نوترون‌های آزاد ظرف همان چند دقیقه ابتدایی و قبل از این‌که بتوانند دچار فروپاشی بتا شوند، مصرف شوند. علاوه‌بر این، مقدار کمی از نوترون‌های باقی مانده در تولید اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیوم یا بور مصرف شدند. انرژی بستگی هسته هلیوم-۴ برای هر ذره هسته‌ای قوی‌تر از هرکدام از این عناصر سنگین‌تر تولید شده است (برای مقایسه به هسته‌زایی و انرژی بستگی رجوع کنید) که این پایداری موجب شد اتم‌های هلیوم تشکیل شده در دقایق اولیه شکل‌گیری کیهان، انرژی کافی برای هم‌جوشی اتم‌های هلیوم و ساخته شدن اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیم و بور در دسترس قرار نداشته باشد. انجام هم‌جوشی هسته‌ای و تبدیل هلیوم به عنصری سنگین‌تر مانند کربن که در مقایسه با هلیوم دارای انرژی کمتری به‌ازای هر ذره هسته‌ای است، واکنشی نامطلوب و نیازمند انرژی زیاد است.
با این‌حال، به‌علت نبود فلز واسطه، این فرایند نیازمند این است که سه هسته هلیوم طی فرایند آلفا سه‌گانه تقریباً به‌طور همزمان با یکدیگر برخورد کنند. در دقایق اولیه تشکیل کیهان و قبل از اینکه دما و فشار کیهان بر اثر انبساط به‌حدی کاهش یابد که دیگر امکان تبدیل هلیوم به کربن وجود نداشته باشد، زمان زیادی برای شکل‌گیری مقدار زیادی کربن وجود نداشته است. این موضوع موجب شد که نسبت هیدروژن به هلیوم در اوایل شکل‌گیری کیهان عددی بسیار نزدیک باشد، همان عددی که امروزه نیز مشاهده می‌شود. مجموع جرم هیدروژن سه برابر مجموع جرم هلیوم-۴ موجود در کیهان است. تمام عناصر سنگین‌تر از جمله آنهایی که برای تشکیل سیاره‌های سنگی مانند زمین و تشکیل حیات کربنی لازم هستند پس از مه‌بانگ در ستارگان ساخته می‌شوند؛ مکانی که میزان هلیوم، دما و فشار کافی وجود دارد. تمامی عناصر دیگر به‌جز هیدروژن و هلیوم، امروزه مجموعاً تنها دو درصد از کل جرم اتمی مواد موجود در کیهان را تشکیل می‌دهند هلیوم-۴ تشکیل دهنده ۲۳ درصد از جرم ماده معمولی (به‌جز هیدروژن) موجود در کیهان است.