Гелий ( 2He ) ( стандартный атомный вес :4.002 602 (2) ) имеет девять известных изотопов , но только гелий-3 ( 3 He) и гелий-4 ( 4 He) являются стабильными . [4] Все радиоизотопы являются короткоживущими; самый долгоживущий - 6 He с периодом полураспада 806,92(24) миллисекунд . Наименее стабильным является 10He , с периодом полураспада260(40) йоктосекунд (2,6(4) × 10−22 с ), хотя 2He может иметь еще более короткий период полураспада .
В атмосфере Земли соотношение 3 He к 4 He равно1,343(13) × 10−6 . [5] Однако изотопное содержание гелия сильно варьируется в зависимости от его происхождения. В Местном межзвездном облаке соотношение 3 He к 4 He равно1,62(29) × 10−4 , [6] что примерно в 121 раз выше, чем в атмосфере Земли. Породы земной коры имеют изотопные соотношения, различающиеся в десять раз; это используется в геологии для исследования происхождения пород и состава мантии Земли . [7] Различные процессы образования двух стабильных изотопов гелия приводят к различному содержанию изотопов.
Равные смеси жидких 3He и 4He ниже0,8 К разделяются на две несмешивающиеся фазы из-за различий в квантовой статистике : атомы 4 Не являются бозонами , а атомы 3 Не являются фермионами . [8] Рефрижераторы растворения используют несмешиваемость этих двух изотопов для достижения температур в несколько милликельвинов .
Смесь двух изотопов спонтанно разделяется на области, богатые 3 He и 4 He. [9] Разделение фаз также существует в системах ультрахолодного газа . [10] Это было экспериментально показано в случае двухкомпонентного ультрахолодного газа Ферми . [11] [12] Разделение фаз может конкурировать с другими явлениями, такими как образование вихревой решетки или экзотическая фаза Фульде–Феррелла–Ларкина–Овчинникова . [13]
Гелий-2, 2 He, крайне нестабилен. Его ядро, дипротон , состоит из двух протонов без нейтронов . Согласно теоретическим расчетам, он был бы гораздо более стабильным (но все еще β + распадался бы на дейтерий ), если бы сильное взаимодействие было на 2% больше. [18] Его нестабильность обусловлена спин-спиновыми взаимодействиями в ядерной силе и принципом исключения Паули , который гласит, что в данной квантовой системе две или более идентичных частиц с одинаковыми полуцелыми спинами (то есть фермионы) не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние; поэтому два протона 2 He имеют противоположно выровненные спины, а сам дипротон имеет отрицательную энергию связи . [19]
2 He, возможно, наблюдался. В 2000 году физики впервые наблюдали новый тип радиоактивного распада, при котором ядро испускает два протона одновременно — возможно, 2 He. [20] [21] Группа под руководством Альфредо Галиндо-Урибарри из Национальной лаборатории Оук-Ридж объявила, что это открытие поможет понять сильное ядерное взаимодействие и даст новое представление о звездном нуклеосинтезе . Галиндо-Урибарри и его коллеги выбрали изотоп неона с энергетической структурой, которая не позволяет ему испускать протоны по одному за раз. Это означает, что два протона выбрасываются одновременно. Группа выстрелила пучком ионов фтора в богатую протонами мишень, чтобы произвести 18 Ne, который затем распался на кислород и два протона. Любые протоны, выброшенные из самой мишени, были идентифицированы по их характерным энергиям. Двухпротонная эмиссия может происходить двумя способами: неон может испускать дипротон, который затем распадается на отдельные протоны, или протоны могут испускаться по отдельности, но одновременно в «демократическом распаде». Эксперимент был недостаточно чувствительным, чтобы установить, какой из этих двух процессов имел место.
Еще одно доказательство существования 2 He было обнаружено в 2008 году в Национальном институте ядерной физики в Италии. [15] [22] Пучок ионов 20 Ne был направлен на мишень из бериллиевой фольги. Это столкновение преобразовало некоторые из более тяжелых ядер неона в пучке в ядра 18 Ne. Затем эти ядра столкнулись с фольгой из свинца. Второе столкновение возбудило ядро 18 Ne в крайне нестабильное состояние. Как и в более раннем эксперименте в Ок-Ридже, ядро 18 Ne распалось на ядро 16 O, плюс были обнаружены два протона, вылетающие с того же направления. Новый эксперимент показал, что два протона изначально выбрасывались вместе, коррелировали в квазисвязанной конфигурации 1 S , прежде чем распасться на отдельные протоны гораздо меньше, чем наносекунду спустя.
Дополнительные доказательства получены от Riken в Японии и Объединенного института ядерных исследований в Дубне , Россия , где пучки ядер 6 He были направлены на криогенную водородную мишень для получения 5 H. Было обнаружено, что 6 He может отдавать все четыре своих нейтрона водороду. [ необходима цитата ] Два оставшихся протона могли быть одновременно выброшены из мишени в виде дипротона, который быстро распадался на два протона. Подобная реакция также наблюдалась при столкновении ядер 8 He с водородом. [23]
Под влиянием электромагнитных взаимодействий примитивы Джаффе-Лоу [24] могут покидать унитарный разрез, создавая узкие двухнуклонные резонансы, подобные дипротонному резонансу с массой 2000 МэВ и шириной в несколько сотен кэВ. [25] Для поиска этого резонанса требуется пучок протонов с кинетической энергией 250 МэВ и разбросом энергий ниже 100 кэВ, что осуществимо с учетом электронного охлаждения пучка.
2 Он является промежуточным продуктом на первом этапе цепи протон-протон . Первый этап цепи протон-протон представляет собой двухступенчатый процесс: сначала два протона сливаются, образуя дипротон:
затем дипротон немедленно бета-плюс распадается на дейтерий :
с общей формулой
Гипотетическое влияние связанного дипротона на Большой взрыв и звездный нуклеосинтез было исследовано. [18] Некоторые модели предполагают, что изменения в сильном взаимодействии, допускающие связанный дипротон, позволят преобразовать весь первичный водород в гелий в Большом взрыве, что было бы катастрофическим для развития звезд и жизни. Это понятие является примером антропного принципа . Однако исследование 2009 года предполагает, что такой вывод сделать нельзя, поскольку образованный дипротон все равно распадется на дейтерий, энергия связи которого также увеличится. В некоторых сценариях постулируется, что водород (в форме 2H ) все еще может выживать в больших количествах, опровергая аргументы о том, что сильное взаимодействие настроено в пределах точного антропного предела. [26]
3 He — единственный стабильный изотоп, отличный от 1 H, в котором протонов больше , чем нейтронов. (Существует много таких нестабильных изотопов; самые легкие — 7 Be и 8 B.) На Земле есть только следы (~2 ppm) [16] 3 He, в основном присутствующие с момента образования Земли, хотя некоторое количество падает на Землю в ловушке космической пыли. [7] Следовые количества также производятся в результате бета - распада трития . [27] В звездах , однако, 3 He более распространен, являясь продуктом ядерного синтеза . Внепланетный материал, такой как лунный и астероидный реголит , содержит следы 3 He от бомбардировки солнечным ветром .
Чтобы стать сверхтекучим , 3 He необходимо охладить до 2,5 милликельвина , что примерно в 900 раз ниже, чем 4 He (2,17 К ). Эта разница объясняется квантовой статистикой : атомы 3 Не являются фермионами , а атомы 4 Не являются бозонами , которые легче конденсируются в сверхтекучее состояние.
Самый распространенный изотоп, 4 He, образуется на Земле в результате альфа-распада более тяжелых элементов; образующиеся альфа-частицы представляют собой полностью ионизированные ядра 4 He. 4 He — необычайно стабильное ядро, поскольку оно вдвойне магическое . Оно образовалось в огромных количествах в ходе нуклеосинтеза Большого взрыва .
Земной гелий состоит почти исключительно (за исключением ~2 ppm) [16] из 4 He. Температура кипения 4 He составляет4,2 К — самая низкая из всех известных веществ, за исключением 3 Не. При дальнейшем охлаждении до2,17 К , он становится уникальной сверхтекучей жидкостью с нулевой вязкостью . Он затвердевает только при давлении выше 25 атмосфер, где он плавится при0,95 К .
Хотя все более тяжелые изотопы гелия распадаются с периодом полураспада <1 секунды , столкновения ускорителей частиц использовались для создания необычных ядер 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 — 10He с периодом полураспада ~260 йоктосекунд. 6He бета распадается с периодом полураспада 807 миллисекунд. Наиболее широко изученный тяжелый изотоп гелия — 8He . Считается , что 8He и 6He состоят из обычного ядра 4He , окруженного нейтронным «гало» (из двух нейтронов в 6He и четырех нейтронов в 8He ). Ядра гало стали областью интенсивных исследований. Подтверждены изотопы до 10He с двумя протонами и восемью нейтронами. 10He , несмотря на то, что является дважды магическим изотопом, не связан с частицами и почти мгновенно испускает два нейтрона . [30]