Гелий-4
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2023 г. ) |
| Общий | |
|---|---|
| Символ | 4 Он |
| Имена | гелий-4, 4He, He-4 |
| Протоны ( С ) | 2 |
| Нейтроны ( Н ) | 2 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 99.999863% |
| Период полураспада ( т 1/2 ) | стабильный |
| масса изотопа | 4.002603254 Да |
| Вращаться | 0 |
| Энергия связи | 28295,7 кэВ |
| Изотопы гелия Полная таблица нуклидов | |
Гелий-4 ( 4
Он
) — стабильный изотоп элемента гелия . Это, безусловно, более распространенный из двух встречающихся в природе изотопов гелия, составляя около 99,99986% гелия на Земле. Его ядро идентично альфа-частице и состоит из двух протонов и двух нейтронов .
Альфа-распад тяжелых элементов в земной коре является источником большей части встречающегося в природе гелия-4 на Земле, образующегося после того, как планета остыла и затвердела. Хотя он также производится в результате ядерного синтеза в звездах , считается, что большая часть гелия-4 на Солнце и во Вселенной была произведена в результате Большого взрыва и называется « первичным гелием». Однако первичный гелий-4 практически отсутствует на Земле, поскольку он покинул его во время высокотемпературной фазы формирования Земли.
Гелий-4 составляет около четверти обычного вещества во Вселенной по массе, причем почти все остальное составляет водород .
Когда жидкий гелий-4 охлаждается до температуры ниже 2,17 К (-270,98 ° C), он становится сверхтекучим , свойства которого очень отличаются от свойств обычной жидкости. Например, если сверхтекучий гелий-4 хранить в открытом сосуде, тонкая пленка поднимется по стенкам сосуда и переполнится. В таком состоянии и ситуации это называется « фильмом Роллена ». Это странное поведение является результатом соотношения Клаузиуса-Клапейрона и не может быть объяснено ни современной моделью классической механики , ни ядерными или электрическими моделями — его можно понимать только как квантово-механическое явление . Полный спин ядра гелия-4 является целым числом (нолем), и, следовательно, оно является бозоном (как и нейтральные атомы гелия-4). Сверхтекучее поведение теперь понимается как проявление конденсации Бозе-Эйнштейна , которая происходит только с совокупностями бозонов.
Предполагается, что при 0,2 К и 50 атм твердый гелий-4 может представлять собой суперстекло ( аморфное твердое вещество, обладающее сверхтекучестью ). [1] [2] [3]
Гелий-4 также существует на Луне и, как и на Земле , является наиболее распространенным изотопом гелия. [4] [5] [6]
Атом гелия-4 [ править ]
Атом гелия — второй простейший атом (самый простой — водород), но лишний электрон вводит третье «тело», поэтому его волновое уравнение становится « проблемой трёх тел », не имеющей аналитического решения. Однако численные аппроксимации уравнений квантовой механики дали хорошую оценку ключевых атомных свойств гелия-4 , таких как его размер и энергия ионизации .
Размер 4 Давно известно, что размер ядра составляет порядка 1 фм . В эксперименте с использованием экзотических атомов гелия, в котором атомный электрон был заменен мюоном , размер ядра был оценен в 1,67824 (83) фм. [7]
Стабильность 4 Ядро He и электронная оболочка [ править ]
Ядро атома гелия-4 обладает типом стабильности, называемым двойной магией . Эксперименты по рассеянию высокоэнергетических электронов показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается от максимума в центральной точке, точно так же, как и плотность заряда собственного электронного облака гелия . Эта симметрия отражает схожую физику: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантовомеханическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены разному потенциалу ядерной связи), так что все эти Фермионы полностью занимают 1s- орбитали парами, ни один из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый из них компенсирует собственный спин другого. Добавление еще одной из этих частиц потребовало бы углового момента и высвободило бы значительно меньше энергии (фактически, ни одно ядро с пятью нуклонами не является стабильным). Таким образом, такое расположение энергетически чрезвычайно стабильно для всех этих частиц, и эта стабильность объясняет многие важные факты, касающиеся гелия в природе.
Например, стабильность и низкая энергия электронного облака гелия обусловливают химическую инертность гелия (наиболее экстремального из всех элементов), а также отсутствие взаимодействия атомов гелия друг с другом (что приводит к самым низким температурам плавления и кипения среди всех элементов). элементы).
Подобным же образом особая энергетическая стабильность ядра гелия-4, вызванная аналогичными эффектами, объясняет легкость производства гелия-4 в атомных реакциях, включающих как выброс тяжелых частиц, так и синтез. Некоторое количество стабильного гелия-3 производится в реакциях синтеза из водорода, но это очень небольшая часть по сравнению с весьма энергетически выгодным производством гелия-4. Стабильность гелия-4 является причиной того, что водород превращается в гелий-4, а не в дейтерий (водород-2), гелий-3 или другие более тяжелые элементы во время термоядерных реакций на Солнце. Это также частично ответственно за то, что альфа-частица является наиболее распространенным типом барионных частиц, выбрасываемых из атомного ядра; другими словами, альфа-распад встречается гораздо чаще, чем кластерный распад .
Необычная стабильность ядра гелия-4 важна также с космологической точки зрения. Это объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого взрыва , когда «суп» из свободных протонов и нейтронов, первоначально созданный в соотношении примерно 6:1, остыл до точки, где стало возможным ядерное связывание, почти все образовавшиеся атомные ядра представляли собой ядра гелия-4. Связывание нуклонов в гелии-4 настолько прочное, что при его производстве за несколько минут были употреблены почти все свободные нейтроны, прежде чем они успели бета-распад, и осталось очень мало для образования более тяжелых атомов (особенно лития , бериллия и бора ). Энергия ядерной связи гелия-4 на нуклон выше, чем у любого из этих элементов (см. Нуклеогенез и энергия связи ), и поэтому не было энергетического «двигателя» для образования элементов 3, 4 и 5 после образования гелия. Гелию едва ли энергетически выгодно переходить в следующий элемент с более высокой энергией на нуклон (углерод). Однако из-за редкости промежуточных элементов и крайней нестабильности бериллий-8 (продукт соединения двух 4 Ядра He сливаются), для этого процесса необходимо, чтобы три ядра гелия ударялись друг о друга почти одновременно (см. Процесс тройного альфа ). Таким образом, не было времени для образования значительного количества углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до температуры и давления, при которых синтез гелия с углеродом стал невозможен. В результате ранняя Вселенная имела очень похожее соотношение водорода и гелия, наблюдаемое сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), при этом почти все нейтроны во Вселенной были заперты в гелии-4.
Таким образом, все более тяжелые элементы, включая те, которые необходимы для каменистых планет, таких как Земля, а также для углеродной или другой жизни, должны были производиться после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы синтезировать элементы тяжелее водорода. Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют лишь 2% массы атомной материи во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычной материи Вселенной — почти всю обычную материю, не являющуюся водородом. 1 ЧАС).
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Джулио Бироли; Клаудио Шамон; Франческо Зампони (2008). «Теория фазы суперстекла». Физический обзор B . 78 (22): 19. arXiv : 0807.2458 . Бибкод : 2008PhRvB..78v4306B . дои : 10.1103/PhysRevB.78.224306 . S2CID 3222218 .
- ^ «Пресс-релиз: Сверхтвердое вещество или суперстекло? Исследователи Корнелла изучают странное состояние вещества в гелии – Cornell Chronicle» .
- ^ Ю, Сяоцюань; Мюллер, Маркус (2012). «Теория среднего поля суперочков». Физический обзор B . 85 (10): 104205. arXiv : 1111.5956 . Бибкод : 2012PhRvB..85j4205Y . дои : 10.1103/PhysRevB.85.104205 . S2CID 119261743 .
- ^ «Датчики с холодным катодом: темы от Science.gov» . www.science.gov .
- ^ «Окончательный отчет об эксперименте с датчиком с холодным катодом» (PDF) . ntrs.nasa.gov .
- ^ Кук, Мелвин А. (1957). «Где находится радиогенный гелий Земли?» . Природа . 179 (4552): 213. Бибкод : 1957Natur.179..213C . дои : 10.1038/179213a0 . S2CID 4297697 .
- ^ Джулиан Дж. Краут; Шуман, Карстен; Ахмед, Марван Абду; и др. (2021). «Измерение зарядового радиуса α-частицы мюонными ионами гелия-4» . Природа . 589 (7843): 527–531. Бибкод : 2021Natur.589..527K . дои : 10.1038/s41586-021-03183-1 . ПМЦ 7914124 . ПМИД 33505036 .
Внешние ссылки [ править ]
- Интерактивные свойства сверхтекучего гелия-4
- Тур, Кларисса (2009), «ЗАВИСИМОСТЬ s-ПРОЦЕССА НУКЛЕОСИНТЕЗА В МАССИВНЫХ ЗВЕЗДАХ ОТ ТРОЙНОЙ АЛЬФА И 12
С
(а, в) 16
ТО
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ", The Astrophysical Journal , 702 (2): 1068–1077, arXiv : 0809.0291 , Bibcode : 2009ApJ...702.1068T , doi : 10.1088/0004-637x/702/2/1068 , S2CID 118 483505