Войти
| ||||||||||||||||||||||||
| Стандартный атомный вес A r, стандартный (He) | 4,002 602 (2) | |||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||
Хотя существует девять известных изотопов из гелия ( 2 He) ( стандартный атомный вес :4.002 602 (2)), только гелий-3 (3 Он ) и гелий-4 (4 Он ) стабильны. Все радиоизотопы недолговечны, самое долгоживущее существо6 Он с периодом полураспада от806,92 ± 0,24 миллисекунды. Наименее стабильным является10 Он С периодом полураспада от260 ± 40 йоктосекунд ((2,6 ± 0,4) × 10 −22 с), хотя не исключено, что2 Он может иметь еще более короткий период полураспада.
В атмосфере Земли отношение 3 Он к 4 Он является (1,343 ± 0,013) × 10 −6. Однако изотопное содержание гелия сильно варьируется в зависимости от его происхождения. В Местном межзвездном облаке доля3 Он к 4 Он является (1,62 ± 0,29) × 10 −4, что составляетВ 121 ± 22 раза выше, чем у атмосферного гелия. Породы земной коры имеют изотопные отношения, различающиеся в десять раз; это используется в геологии для исследования происхождения горных пород и состава мантии Земли. Различные процессы образования двух стабильных изотопов гелия приводят к разному содержанию изотопов.
Равные смеси жидкости 3 Он а также 4 Он ниже 0,8 К разделяются на две несмешивающиеся фазы из-за их несходства (они следуют разной квантовой статистике :4 Он атомы - бозоны, а3 Он атомы - фермионы ). В холодильниках для разбавления используется несмешиваемость этих двух изотопов для достижения температуры в несколько милликельвинов.
| Нуклид | Z | N | Изотопная масса ( Да ) | Период полураспада [ ширина резонанса ] | Режим распада | Дочерний изотоп | Спин и паритет | Естественное изобилие (мольная доля) | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Нормальная пропорция | Диапазон вариации | ||||||||||||||||||
| 2 Он | 2 | 0 | 2,015894 (2) | ≪ 10 −9 с | p (gt; 99,99%) | 2 1 ЧАС | 0 + # | ||||||||||||
| β + (lt;0,01%) | 2 ЧАС | ||||||||||||||||||
| 3 Он | 2 | 1 | 3,016 029 321 967 ± 0,000 000 000 060 | Стабильный | 1/2 + | 0,000 002 (2) | |||||||||||||
| 4 Он | 2 | 2 | 4,002 603 254 130 ± 0,000 000 000 158 | Стабильный | 0+ | 0,999 998 (2) | |||||||||||||
| 5 Он | 2 | 3 | 5,012 057 224 ± 0,000 021 470 | 602 ± 22 лет | п | 4 Он | 3 / 2- | ||||||||||||
| 6 Он | 2 | 4 | 6,018 885 889 ± 0,000 000 057 | 806,92 ± 0,24 мс | β - (99,99%) | 6 Ли | 0+ | ||||||||||||
| β -, α (2,8 × 10 −4 %) | 4 Он , 2 ЧАС | ||||||||||||||||||
| 7 Он | 2 | 5 | 7,027 990 652 ± 0,000 008 115 | 2,51 ± 0,07 мкс | п | 6 Он | (3/2) - | ||||||||||||
| 8 Он | 2 | 6 | 8,033 934 388 ± 0,000 000 095 | 119,5 ± 1,5 мс | β - (83%) | 8 Ли | 0+ | ||||||||||||
| β -, n (16,1%) | 7 Ли | ||||||||||||||||||
| β -, деление (0,9%) | 5 Он , 3 ЧАС | ||||||||||||||||||
| 9 Он | 2 | 7 | 9,043 946 414 ± 0,000 050 259 | 2,5 ± 2,3 zs | п | 8 Он | 1/2 + # | ||||||||||||
| 10 Он | 2 | 8 | 10,052 815 306 ± 0,000 099 676 | 260 ± 40 лет | 2n | 8 Он | 0+ | ||||||||||||
Этот заголовок и нижний колонтитул таблицы:
| |||||||||||||||||||
| n: | Эмиссия нейтронов |
| п: | Испускание протонов |
Гелий-2 или 2 Он является крайне нестабильным изотопом гелия. Его ядро, дипротон, состоит из двух протонов без нейтронов. Согласно теоретическим расчетам, он был бы намного более стабильным (хотя все еще подвергался β + -распаду до дейтерия ), если бы сильное взаимодействие было на 2% больше. Его нестабильность происходит из-за спин-спиновых взаимодействий в ядерной силе и принципа исключения Паули, который заставляет два протона иметь анти-выровненные спины и дает дипротону отрицательную энергию связи.
Возможно, были наблюдения 2 Он . В 2000 году физики впервые наблюдали новый тип радиоактивного распада, при котором ядро испускает два протона одновременно - возможно, один2 Он ядро. Команда во главе с Альфредо Галиндо-Урибарри из Окриджской национальной лаборатории объявила, что это открытие поможет ученым понять сильную ядерную силу и предоставит свежий взгляд на создание элементов внутри звезд. Галиндо-Урибарри и его сотрудники выбрали изотоп неона с энергетической структурой, которая не позволяет ему испускать протоны по одному. Это означает, что два протона выбрасываются одновременно. Команда выпустила пучок ионов фтора по богатой протонами мишени, чтобы произвести18 Ne , который затем распался на кислород и два протона. Любые протоны, выброшенные из самой мишени, идентифицировались по их характерным энергиям. Есть два пути, по которым может происходить двухпротонная эмиссия. Ядро неона могло бы испускать «дипротон» - пару протонов, связанных вместе как единое целое.2 Он ядро, которое затем распадается на отдельные протоны. В качестве альтернативы протоны могут испускаться отдельно, но одновременно - так называемый «демократический распад». Эксперимент был недостаточно чувствительным, чтобы установить, какой из этих двух процессов имеет место.
Больше доказательств 2 Он был обнаружен в 2008 году в Istituto Nazionale di Fisica Nucleare в Италии. Луч20 Ne ионы направлялись на мишень из бериллиевой фольги. Это столкновение преобразовало некоторые из более тяжелых ядер неона в пучке в18 Ne ядра. Затем эти ядра столкнулись с фольгой из свинца. Второе столкновение произвело эффект возбуждения18 Ne ядро в крайне нестабильное состояние. Как и в предыдущем эксперименте в Ок-Ридже,18 Ne ядро распалось на 16 О ядро плюс два протона, вылетающих с одного и того же направления. Новый эксперимент показал, что два протона изначально были выброшены вместе, коррелированы в квазисвязанной 1 S-конфигурации, а затем распались на отдельные протоны гораздо меньше, чем через наносекунду.
Дальнейшие свидетельства поступают от RIKEN в Японии и ОИЯИ в Дубне, Россия, где лучи6 Он ядра были направлены на криогенную водородную мишень для получения 5 Он . Было обнаружено, что6 Он ядро может отдать водороду все четыре своих нейтрона. Два оставшихся протона могут быть одновременно выброшены из мишени в виде2 Он ядро, которое быстро распалось на два протона. Подобная реакция наблюдалась и у8 Он ядра, сталкивающиеся с водородом.
2 Он является промежуточным продуктом на первой стадии протон-протонной цепной реакции. Первая стадия протон-протонной цепной реакции - двухэтапный процесс; сначала два протона сливаются, образуя дипротон:
с последующим немедленным бета-распадом дипротона до дейтерия:
с общей формулой
Исследован гипотетический эффект связывания дипротона на Большой взрыв и звездный нуклеосинтез. Некоторые модели предполагают, что вариации сильного взаимодействия, допускающие существование связанного дипротона, позволят преобразовать весь первичный водород в гелий во время Большого взрыва с катастрофическими последствиями для развития звезд и жизни. Это предложение используется как пример антропного принципа. Однако исследование 2009 г. предполагает, что такой вывод сделать нельзя, так как образующиеся дипротоны все равно распадутся на дейтерий, энергия связи которого также увеличится. В некоторых сценариях постулируется, что водород (в форме дейтерия) все еще может выжить в относительно больших количествах, опровергая аргументы о том, что сильное взаимодействие настроено в пределах точного антропного предела.
Атом гелия-3 содержит два протона, один нейтрон и два электрона. 3 Он стабилен и является единственным стабильным изотопом, кроме 1 ЧАС с большим количеством протонов, чем нейтронов. (Таких нестабильных изотопов много, самый легкий из которых7 Быть а также 8 B .) Есть только следовое количество (0,000 002 (2)) из3 Он на Земле, в основном присутствует с момента образования Земли, хотя некоторые из них падают на Землю в ловушке космической пыли. Суммы Микроэлементы также производятся с помощью бета - распада от трития. В звездах, однако,3 Он более распространен, продукт ядерного синтеза. Внепланетный материал, такой как лунный реголит и реголит астероидов, имеет следовые количества 3 Он от бомбардировки солнечным ветром.
Чтобы гелий-3 стал сверхтекучим, его нужно охладить до температуры 0,0025 К, что почти в тысячу раз ниже, чем гелий-4 (2,17 К). Это различие объясняется квантовой статистикой, поскольку атомы гелия-3 являются фермионами, а атомы гелия-4 - бозонами, которые легче конденсируются в сверхтекучую среду.
Атом гелия-4 содержит два протона, два нейтрона и два электрона. Самый распространенный изотоп, 4 Он , образуется на Земле в результате альфа-распада более тяжелых радиоактивных элементов; что альфа - частица, которые возникают полностью ионизирована4 Он ядра. 4 Он является необычно стабильным ядром, потому что его нуклоны организованы в сплошные оболочки. Он также был образован в огромных количествах во время нуклеосинтеза Большого взрыва.
Земной гелий состоит почти исключительно из (0,999 998 (2)) этого изотопа. Температура кипения гелия-4, составляющая 4,2 К, является вторым по величине из всех известных веществ, уступая только гелию-3. При дальнейшем охлаждении до 2,17 К он переходит в уникальное сверхтекучее состояние с нулевой вязкостью. Он затвердевает только при давлении выше 25 атмосфер, где его температура плавления составляет 0,95 К.
Хотя все более тяжелые изотопы гелия распадаются с периодом полураспада менее одной секунды, исследователи использовали столкновения ускорителей частиц для создания необычных атомных ядер для таких элементов, как гелий, литий и азот. Необычная ядерная структура таких изотопов может дать представление об отдельных свойствах нейтронов.
Кратчайшее долгоживущий изотоп гелий-10 с периодом полураспада от260 ± 40 лет. Гелий-6 распадается с испусканием бета-частицы и имеет период полураспада806,92 ± 0,24 миллисекунды. Наиболее изученным тяжелым изотопом гелия является гелий-8. Считается, что этот изотоп, как и гелий-6, состоит из нормального ядра гелия-4, окруженного нейтронным «гало» (содержащим два нейтрона в6 Он и четыре нейтрона в 8 Он ). Ядра гало стали областью интенсивных исследований. Подтверждены изотопы вплоть до гелия-10 с двумя протонами и восемью нейтронами.10 Он несмотря на то, что он является дважды магическим изотопом, имеет очень короткий период полураспада; он не связан с частицами и почти мгновенно испускает два нейтрона.
