Изотопы гелия
| |||||||||||||||||||||
| Стандартный атомный вес А р °(Он) | |||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||
Хотя известно девять изотопов гелия ( ( 2 He) ( стандартный атомный вес : 4,002 602 2) ), только гелий-3 ( 3
Он
) и гелий-4 ( 4
Он
) стабильны . [4] Все радиоизотопы короткоживущие, самое долгоживущее из них 6
Он
с периодом 806,92 полураспада (24) миллисекунды . Наименее стабильным является 10
Он
, с периодом полураспада 260(40) йоктосекунд ( 2,6(4) × 10 −22 с ), хотя возможно, что 2
Он
может иметь еще более короткий период полураспада.
В атмосфере Земли соотношение 3
Он
к 4
Он
составляет 1,343(13) × 10 −6 . [5] Однако изотопное содержание гелия сильно варьируется в зависимости от его происхождения. В Местном межзвездном облаке доля 3
Он
к 4
Он
составляет 1,62(29) × 10 −4 , [6] что в 121(22) раза выше, чем у атмосферного гелия. Породы земной коры имеют соотношение изотопов, варьирующееся в десять раз; это используется в геологии для исследования происхождения горных пород и состава мантии Земли . [7] Различные процессы образования двух стабильных изотопов гелия приводят к различному содержанию изотопов.
Равные смеси жидкостей 3
Он
и 4
Он
ниже 0,8 К разделяются на две несмешивающиеся фазы из-за различий в квантовой статистике : 4
Он
атомы являются бозонами, а 3
Он
атомы являются фермионами . [8] Холодильники для разбавления используют несмешиваемость этих двух изотопов для достижения температур в несколько милликельвинов.
Смесь двух изотопов самопроизвольно разделяется на -богатый и -богатые регионы. [9] Фазовое разделение также существует в ультрахолодного газа . системах [10] Это было показано экспериментально в случае двухкомпонентного ультрахолодного ферми-газа . [11] [12] Фазовое разделение может конкурировать с другими явлениями, такими как образование вихревой решетки или экзотической фазы Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова . [13]
Список изотопов
[ редактировать ]| Нуклид | С | Н | Изотопная масса ( Да ) [14] [n 1] | Период полураспада [1] [ ширина резонанса ] | Разлагаться режим [1] [n 2] | Дочь изотоп [n 3] | Спин и паритет [1] [n 4] [n 5] | Природное изобилие (молярная доля) | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Нормальная пропорция [1] | Диапазон вариаций | ||||||||||||||||||
| 2 Он [№ 6] | 2 | 0 | 2.015 894 (2) | ≪ 10 −9 с [15] | р (> 99,99% ) | 1 ЧАС | 0+# | ||||||||||||
| б + (< 0,01% ) | 2 ЧАС | ||||||||||||||||||
| 3 Он [n 7] [№ 8] | 2 | 1 | 3.016 029 321 967 (60) | Стабильный | 1/2+ | 0.000 002 (2) [16] | [ 4.6 × 10 −10 , 0.000 041 ] [17] | ||||||||||||
| 4 Он [n 7] | 2 | 2 | 4.002 603 254 130 (158) | Стабильный | 0+ | 0.999 998 (2) [16] | [ 0.999 959 , 1.000 000 ] [17] | ||||||||||||
| 5 Он | 2 | 3 | 5.012 057 (21) | 6.02(22) × 10 −22 с [ 758(28) кэВ ] | н | 4 Он | 3/2− | ||||||||||||
| 6 Он [n 9] | 2 | 4 | 6.018 885 889 (57) | 806,92(24) мс | б − ( 99.999 722 (18) %) | 6 Что | 0+ | ||||||||||||
| б − д [№ 10] ( 0.000 278 (18) %) | 4 Он | ||||||||||||||||||
| 7 Он | 2 | 5 | 7.027 991 (8) | 2.51(7) × 10 −21 с [ 182(5) кэВ ] | н | 6 Он | (3/2)− | ||||||||||||
| 8 Он [№ 11] | 2 | 6 | 8.033 934 388 (95) | 119,5(1,5) мс | б − ( 83.1(1.0)% ) | 8 Что | 0+ | ||||||||||||
| б − п ( 16(1)% ) | 7 Что | ||||||||||||||||||
| б − т [№ 12] ( 0.9(1)% ) | 5 Он | ||||||||||||||||||
| 9 Он | 2 | 7 | 9.043 946 (50) | 2.5(2.3) × 10 −21 с | н | 8 Он | 1/2(+) | ||||||||||||
| 10 Он | 2 | 8 | 10.052 815 31 (10) | 2.60(40) × 10 −22 с [ 1,76(27) МэВ ] | 2н | 8 Он | 0+ | ||||||||||||
| Этот заголовок и нижний колонтитул таблицы: | |||||||||||||||||||
- ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
- ^ Режимы распада:
н: Нейтронная эмиссия п: Протонная эмиссия - ^ Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
- ^ ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
- ^ # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
- ^ Промежуточное соединение в протон-протонной цепной реакции.
- ^ Jump up to: а б Образуется в ходе нуклеосинтеза Большого взрыва.
- ^ Это и 1
ЧАС
являются единственными стабильными нуклидами, в которых протонов больше, чем нейтронов - ^ Имеет 2 гало- нейтрона .
- ^ d: дейтронов Эмиссия
- ^ Имеет 4 гало-нейтрона.
- ^ т: Тритона Эмиссия
Гелий-2 (дипротон)
[ редактировать ]Гелий-2, или 2
Он
, является чрезвычайно нестабильным изотопом гелия. Его ядро, дипротон , состоит из двух протонов без нейтронов . Согласно теоретическим расчетам, он был бы гораздо более стабильным (хотя все еще подвергался β + распад до дейтерия ), если бы сильное взаимодействие было на 2% больше. [18] Его нестабильность обусловлена спин-спиновым взаимодействием в ядерной силе и квантовой механикой, описываемой принципом Паули , который гласит, что внутри данной квантовой системы две или более идентичные частицы с одинаковыми полуцелыми спинами (то есть фермионы ) не может одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии - все это для гелия-2 означает, что два его протона (дипротона) имеют противоположные спины, а сам дипротон имеет отрицательную энергию связи . [19]
Возможно, были наблюдения 2
Он
. В 2000 году физики впервые наблюдали новый тип радиоактивного распада, при котором ядро испускает два протона одновременно. 2
Он
ядро. [20] [21] Команда под руководством Альфредо Галиндо-Урибарри из Национальной лаборатории Ок-Ридж объявила, что это открытие поможет ученым понять сильное ядерное взаимодействие и даст новое представление о создании элементов внутри звезд . Галиндо-Урибарри и его коллеги выбрали изотоп неона с энергетической структурой, которая не позволяет ему испускать протоны по одному. Это означает, что два протона вылетают одновременно. Команда выпустила луч ионов фтора по богатой протонами мишени, чтобы получить 18
Ne
, который затем распался на кислород и два протона. Любые протоны, вылетевшие из самой мишени, идентифицировались по их характеристическим энергиям. Есть два пути, которыми может протекать двухпротонная эмиссия. Ядро неона может выбросить «дипротон» — пару протонов, связанных вместе в 2
Он
ядро, которое затем распадается на отдельные протоны. Альтернативно, протоны могут испускаться по отдельности, но одновременно — так называемый «демократический распад». Эксперимент не был достаточно чувствительным, чтобы установить, какой из этих двух процессов имеет место.
Больше доказательств 2
Он
был найден в 2008 году в Национальном институте ядерной физики в Италии. [15] [22] Луч 20
Ne
ионы направлялись на мишень из бериллиевой фольги. Это столкновение превратило некоторые из более тяжелых ядер неона в пучке в 18
Ne
ядра. Затем эти ядра столкнулись со свинцовой фольгой. Второе столкновение взволновало 18
Ne
ядро в крайне нестабильное состояние. Как и в предыдущем эксперименте в Ок-Ридже, 18
Ne
ядро распалось на 16
ТО
ядро, а также два протона, вылетевших в том же направлении. Новый эксперимент показал, что два протона первоначально выбрасывались вместе, коррелируя в квазисвязанном состоянии. 1 S-конфигурация , прежде чем распасться на отдельные протоны гораздо меньше, чем через наносекунду.
Дополнительные доказательства получены от RIKEN в Японии и Объединенного института ядерных исследований в Дубне , Россия , где пучки 6
Он
ядра были направлены на криогенную водородную мишень для получения 5
ЧАС
. Было обнаружено, что 6
Он
ядро может отдать все четыре своих нейтрона водороду. [ нужна ссылка ] Два оставшихся протона могли быть одновременно выброшены из мишени в виде 2
Он
ядро, которое быстро распалось на два протона. Аналогичная реакция наблюдалась и у 8
Он
ядра, сталкивающиеся с водородом. [23]
Под влиянием электромагнитных взаимодействий примитивы Яффе-Лоу [24] может выйти из унитарного разреза, создавая узкие двухнуклонные резонансы, такие как дипротонный резонанс массой 2000 МэВ и шириной несколько сотен кэВ. [25] Для поиска этого резонанса был использован пучок протонов с кинетической энергией Т = 250 МэВ. требуется разброс по энергии ниже 100 кэВ, что вполне осуществимо с учетом электронного охлаждения пучка.
2
Он
является промежуточным продуктом первой стадии протон-протонной цепной реакции. Первый этап протон-протонной цепной реакции представляет собой двухстадийный процесс; сначала два протона сливаются, образуя дипротон:
за которым следует немедленный бета-плюс-распад дипротона до дейтерия:
по общей формуле
- 1
1 час
+ 1
1 час
→ 2
1 Д
+
и +
+
н
е + 0,42 МэВ .
гипотетическое влияние связывания дипротона на Большой взрыв и звездный нуклеосинтез . Было исследовано [18] Некоторые модели предполагают, что изменения в сильном взаимодействии, допускающие существование связанного дипротона, позволят превратить весь первичный водород в гелий в результате Большого взрыва, что приведет к катастрофическим последствиям для развития звезд и жизни. Это положение является примером антропного принципа . Однако исследование 2009 года предполагает, что такой вывод сделать нельзя, поскольку образовавшиеся дипротоны все равно будут распадаться на дейтерий, энергия связи которого также увеличится. В некоторых сценариях предполагается, что водород (в форме дейтерия) все еще может выжить в относительно больших количествах, что опровергает аргументы о том, что сильное взаимодействие настроено в пределах точного антропного предела. [26]
Гелий-3
[ редактировать ]3
Он
стабилен и является единственным стабильным изотопом, кроме 1
ЧАС
с большим количеством протонов, чем нейтронов. (Таких нестабильных изотопов много, самый легкий из них 7
Быть
и 8
Б
.) Есть только следовая сумма ( 0.000 002 (2) ) [16] из 3
Он
на Земле, в основном присутствует с момента образования Земли, хотя некоторые падают на Землю, запертые в космической пыли. [7] Следовые количества также образуются в результате распада трития бета - . [27] В звездах , однако, 3
Он
более распространен, является продуктом ядерного синтеза . Внепланетный материал, такой как лунный и астероидный реголит , содержит следовые количества 3
Он
от бомбардировки солнечным ветром .
Чтобы гелий-3 превратился в сверхтекучий , его необходимо охладить до температуры 0,0025 К , что почти в тысячу раз ниже, чем у гелия-4 ( 2,17 К ). Эта разница объясняется квантовой статистикой , поскольку атомы гелия-3 являются фермионами , а атомы гелия-4 — бозонами , которые легче конденсируются в сверхтекучесть.
Гелий-4
[ редактировать ]Самый распространённый изотоп 4
Он
, образуется на Земле в результате альфа-распада более тяжелых радиоактивных элементов; ионизированы . возникающие альфа-частицы полностью 4
Он
ядра. 4
Он
Это необычайно стабильное ядро, поскольку его нуклоны расположены в полные оболочки . Он также образовался в огромных количествах во время нуклеосинтеза Большого взрыва .
Земной гелий состоит почти исключительно ( 0,999 998 (2) ) [16] этого изотопа. Температура кипения гелия-4, равная 4,2 К, является второй самой низкой температурой среди всех известных веществ, уступая только гелию-3. При дальнейшем охлаждении до 2,17 К он переходит в уникальное сверхтекучее состояние нулевой вязкости . Он затвердевает только при давлении выше 25 атмосфер, где его температура плавления составляет 0,95 К.
Более тяжелые изотопы гелия
[ редактировать ]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 . Необычные ядерные структуры таких изотопов могут дать представление об изолированных свойствах нейтронов и физике за пределами Стандартной модели. [28] [29]
Самый короткоживущий изотоп — гелий-10 с периодом 260 полураспада (40) йоктосекунд . Гелий-6 распадается с испусканием бета-частицы и имеет период полураспада 806,92(24) миллисекунды . Наиболее широко изученный тяжелый изотоп гелия — гелий-8. Считается, что этот изотоп, как и гелий-6, состоит из нормального ядра гелия-4, окруженного нейтронным «ореолом» (содержащим два нейтрона в 6
Он
и четыре нейтрона в 8
Он
). Ядра с гало стали областью интенсивных исследований. Были 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 . [30]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
- ^ «Стандартные атомные массы: гелий» . ЦИАВ . 1983.
- ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . дои : 10.1515/pac-2019-0603 . ISSN 1365-3075 .
- ^ «гелий-3 | химический изотоп | Британика» . www.britanica.com . Проверено 20 марта 2022 г.
- ^ Сано, Юджи; Вакита, Хироши; Шэн, Сюй (1988). «Соотношение изотопов гелия в атмосфере» . Геохимический журнал . 22 (4): 177–181. Бибкод : 1988GeocJ..22..177S . дои : 10.2343/geochemj.22.177 . S2CID 129104204 .
- ^ Буземанн, Х.; Бюлер, Ф.; Гримберг, А.; Хебер, В.С.; Агафонов Ю.Н.; Баур, Х.; Бохслер, П.; Эйсмонт, Северная Каролина; Вилер, Р.; Застенкер, Г.Н. (01 марта 2006 г.). «Межзвездный гелий, пойманный в ловушку в ходе эксперимента COLLISA на космической станции МиР — улучшенный изотопный анализ с помощью вакуумного травления» . Астрофизический журнал . 639 (1): 246. Бибкод : 2006ApJ...639..246B . дои : 10.1086/499223 . ISSN 0004-637X . S2CID 120648440 .
- ^ Jump up to: а б «Основы гелия» .
- ^ Энциклопедия химических элементов . п. 264.
- ^ Побелл, Фрэнк (2007). Вещество и методы при низких температурах (3-е изд. и расширенное изд.). Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-540-46356-6 . OCLC 122268227 .
- ^ Карлсон, Дж.; Редди, Санджай (2 августа 2005 г.). «Асимметричные двухкомпонентные фермионные системы в сильной связи». Письма о физических отзывах . 95 (6): 060401. arXiv : cond-mat/0503256 . Бибкод : 2005PhRvL..95f0401C . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.060401 . ПМИД 16090928 . S2CID 448402 .
- ^ Шин, Ю.; Цвирляйн, МВт; Шунк, Швейцария; Широцек А.; Кеттерле, В. (18 июля 2006 г.). «Наблюдение фазового расслоения в сильно взаимодействующем несбалансированном ферми-газе». Письма о физических отзывах . 97 (3): 030401. arXiv : cond-mat/0606432 . Бибкод : 2006PhRvL..97c0401S . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.030401 . ПМИД 16907486 . S2CID 11323402 .
- ^ Цвирляйн, Мартин В.; Широцек, Андре; Шунк, Кристиан Х.; Кеттерле, Вольфганг (27 января 2006 г.). «Фермионная сверхтекучесть с несбалансированными спиновыми населенностями». Наука . 311 (5760): 492–496. arXiv : cond-mat/0511197 . Бибкод : 2006Sci...311..492Z . дои : 10.1126/science.1122318 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16373535 . S2CID 13801977 .
- ^ Копицинский, Якуб; Пуделко, Войцех Р.; Влазловский, Габриэль (23 ноября 2021 г.). «Вихревая решетка в спин-несбалансированном унитарном ферми-газе». Физический обзор А. 104 (5): 053322. arXiv : 2109.00427 . Бибкод : 2021PhRvA.104e3322K . дои : 10.1103/PhysRevA.104.053322 . S2CID 237372963 .
- ^ Ван, Мэн; Хуанг, WJ; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки *». Китайская физика C . 45 (3): 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
- ^ Jump up to: а б Шеве, Фил (29 мая 2008 г.). «Новая форма искусственной радиоактивности» . Обновление новостей физики (865 № 2). Архивировано из оригинала 14 октября 2008 г.
- ^ Jump up to: а б с д «Атомный вес гелия» . Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу . Архивировано из оригинала 4 мая 2023 года . Проверено 6 октября 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Мейя, Юрис; Коплен, Тайлер Б.; Берглунд, Майкл; Брэнд, Вилли А.; Бьевр, Поль Де; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Ирргехер, Йоханна; Потеря, Роберт Д.; Вальчик, Томас; Прохаска, Томас (01 марта 2016 г.). «Изотопный состав элементов 2013 (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 293–306. дои : 10.1515/pac-2015-0503 . hdl : 11858/00-001M-0000-0029-C408-7 . ISSN 1365-3075 . S2CID 104472050 .
- ^ Jump up to: а б Брэдфорд, RAW (27 августа 2009 г.). «Влияние гипотетической стабильности дипротонов на Вселенную» (PDF) . Журнал астрофизики и астрономии . 30 (2): 119–131. Бибкод : 2009JApA...30..119B . CiteSeerX 10.1.1.495.4545 . дои : 10.1007/s12036-009-0005-x . S2CID 122223720 .
- ^ Ядерная физика в двух словах , Калифорния Бертулани, Princeton University Press, Принстон, Нью-Джерси, 2007, Глава 1, ISBN 978-0-691-12505-3 .
- ↑ Физики открывают новый вид радиоактивности. Архивировано 23 апреля 2011 г. на Wayback Machine , на сайте Physicsworld.com , 24 октября 2000 г.
- ^ Х. Гомес дель Кампо; А. Галиндо-Урибарри; и др. (2001). «Распад резонанса в 18 Ne путем одновременного испускания двух протонов». Physical Review Letters . 86 (2001): 43–46. Bibcode : 2001PhRvL..86...43G . doi : 10.1103/PhysRevLett.86.43 . PMID 11136089 .
- ^ Рачити, Г.; Карделла, Г.; Де Наполи, М.; Раписарда, Э.; Аморини, Ф.; Сфиенти, К. (2008). «Экспериментальное подтверждение 2
Он
Распад от 18
Ne
Возбужденные состояния». Phys. Rev. Lett. 100 (19): 192503–192506. Bibcode : 2008PhRvL.100s2503R . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.192503 . PMID 18518446 . - ^ Коршенинников А.А.; и др. (28 февраля 2003 г.). «Экспериментальные доказательства существования 7
ЧАС
и для конкретной структуры 8
Он
» (PDF) . Письма о физическом обзоре . 90 (8): 082501. Бибкод : 2003PhRvL..90h2501K . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.082501 . PMID 12633420 . - ^ Яффе, РЛ; Лоу, FE (1979). «Связь между собственными состояниями кварковой модели и рассеянием при низких энергиях» . Физический обзор D . 19 (7): 2105–2118. Бибкод : 1979PhRvD..19.2105J . дои : 10.1103/PhysRevD.19.2105 .
- ^ Криворученко, М.И. (2011). «Возможность узких резонансов в нуклон-нуклонных каналах» . Физический обзор C . 84 (1): 015206. arXiv : 1102.2718 . Бибкод : 2011PhRvC..84a5206K . дои : 10.1103/PhysRevC.84.015206 .
- ^ Макдональд, Дж.; Муллан, диджей (2009). «Нуклеосинтез Большого взрыва: сильное ядерное взаимодействие соответствует слабому антропному принципу». Физический обзор D . 80 (4): 043507. arXiv : 0904.1807 . Бибкод : 2009PhRvD..80d3507M . дои : 10.1103/PhysRevD.80.043507 . S2CID 119203730 .
- ^ К. Л. Барбалаче. «Периодическая таблица элементов: литий — литий» . EnvironmentalChemistry.com . Проверено 13 сентября 2010 г.
- ^ «Исследование гелия-8 дает представление о ядерной теории нейтронных звезд | Аргоннская национальная лаборатория» . www.anl.gov . 25 января 2008 г. Проверено 10 сентября 2023 г.
- ^ «Радиоактивные лучи двигают физику вперед» . ЦЕРН Курьер . 29 ноября 1999 г. Проверено 10 сентября 2023 г.
- ^ Клиффорд А. Хэмпель (1968). Энциклопедия химических элементов . Книжная корпорация Рейнхольд. п. 260 . ISBN 978-0278916432 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Общие таблицы - рефераты по гелию и другим экзотическим легким ядрам.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
