Изотопы гелия - Isotopes of helium
| ||||||||||||||||||||||||
| 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.
Список изотопов
| 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 (> 99,99%) | 2 1 ЧАС |
0 + # | ||||||||||||
| β + (<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: | |||||||||||||||||||
- ^ () - Неопределенность (1 σ ) дана в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
-
^
Режимы распада:
n: Эмиссия нейтронов п: Испускание протонов - ^ Дочерний символ жирным шрифтом - Дочерний продукт стабилен.
- ^ () значение спина - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
- ^ # - Значения, отмеченные знаком #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN).
- ^ Промежуточное звено в протон-протонной цепной реакции
- ^ a b Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва
- ^ Это и 1 H - единственные стабильные нуклиды с большим количеством протонов, чем нейтронов.
- ^ Имеет 2нейтрона гало
- ^ Имеет 4 нейтрона гало
Гелий-2 (дипротон)
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.
Гелий-3
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 количества3
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.
Гелий-4
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.
Более тяжелые изотопы гелия
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 .
внешние ссылки
- Общие таблицы - аннотации для гелия и других экзотических легких ядер