Hel-4 - Helium-4
Ogólny | |
---|---|
Symbol | 4 On |
Nazwy | hel-4, He-4 |
Protony | 2 |
Neutrony | 2 |
Dane nuklidów | |
Naturalna obfitość | 99,999863% |
Pół życia | stabilny |
Masa izotopowa | 4,002603254 u |
Kręcić się | 0 |
Energia wiązania | 28295.7 keV |
Izotopy helu Kompletna tabela nuklidów |
Hel-4 (4
On
) jest stabilnym izotopem pierwiastka helu . Jest zdecydowanie bardziej obfity z dwóch naturalnie występujących izotopów helu, stanowiąc około 99,99986% helu na Ziemi. Jej jądro jest identyczne jak cząstka alfa i składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów .
Rozpad alfa ciężkich pierwiastków w skorupie ziemskiej jest źródłem najbardziej naturalnie występującego na Ziemi helu-4, produkowanego po ochłodzeniu i zestaleniu się planety. Chociaż jest on również wytwarzany przez syntezę jądrową w gwiazdach , uważa się, że większość helu-4 w Słońcu i we wszechświecie została wytworzona podczas Wielkiego Wybuchu i jest określany jako „ pierwotny hel”. Jednak pierwotny hel-4 jest w dużej mierze nieobecny na Ziemi, ponieważ uciekł podczas wysokotemperaturowej fazy formowania się Ziemi.
Hel-4 stanowi masowo około jednej czwartej zwykłej materii we Wszechświecie, przy czym prawie cała reszta to wodór .
Gdy ciekły hel-4 zostanie schłodzony do temperatury poniżej 2,17 kelwina (−271,17 °C), staje się nadciekły o właściwościach bardzo odmiennych od zwykłych cieczy. Na przykład, jeśli nadciekły hel-4 jest przechowywany w otwartym naczyniu, cienka warstwa wspina się po bokach naczynia i przelewa się. W tym stanie i sytuacji nazywa się to „ filmem Rollin ”. To dziwne zachowanie jest wynikiem stosunku Clausiusa-Clapeyrona i nie mogą być wyjaśnione przez obecnego modelu z mechaniki klasycznej , ani atomowych lub elektrycznych modeli - to może być rozumiane wyłącznie jako zjawiska mechaniki kwantowej . Całkowity spin jądra helu-4 jest liczbą całkowitą (zero), a zatem jest bozonem (podobnie jak obojętne atomy helu-4). Zachowanie nadciekłe jest obecnie rozumiane jako przejaw kondensacji Bosego-Einsteina , która występuje tylko w przypadku kolekcji bozonów.
Zakłada się, że przy 0,2 K i 50 atm stały hel-4 może być superszklem ( bezpostaciowe ciało stałe wykazujące nadciekłość ).
Hel-4 występuje również na Księżycu i – podobnie jak na Ziemi – jest najobficiej występującym izotopem helu.
Atom helu-4
Atom helu jest drugim najprostszym atomem (najprostszym jest wodór), ale dodatkowy elektron wprowadza trzecie „ciało”, więc rozwiązanie jego równania falowego staje się „ problemem trzech ciał ”, który nie ma rozwiązania analitycznego. Jednak przybliżenia numeryczne równań mechaniki kwantowej dały dobre oszacowanie kluczowych właściwości atomowych helu-4 , takich jak jego rozmiar i energia jonizacji .
Od dawna wiadomo, że wielkość jądra 4 He jest rzędu 1 fm . W eksperymencie z użyciem egzotycznych atomów helu, w którym elektron atomowy został zastąpiony przez mion , rozmiar jądra oszacowano na 1,67824(83) fm.
Stabilność jądra 4 He i powłoki elektronowej
Jądro atomu helu-4 jest identyczne z cząsteczką alfa . Eksperymenty z wysokoenergetycznym rozpraszaniem elektronów pokazują, że jego ładunek spada wykładniczo od maksimum w centralnym punkcie, dokładnie tak jak gęstość ładunku w chmurze elektronowej helu . Ta symetria odzwierciedla podobną fizykę leżącą u podstaw: para neutronów i para protonów w jądrze helu podlegają tym samym zasadom mechaniki kwantowej, co para elektronów helu (chociaż cząstki jądrowe mają inny potencjał wiązania jądra), więc wszystkie te Fermiony w pełni zajmują orbitale 1s parami, żaden z nich nie posiada orbitalnego momentu pędu, a każdy z nich anuluje wewnętrzny spin drugiego. Dodanie kolejnej z tych cząstek wymagałoby momentu pędu i uwolniłoby znacznie mniej energii (w rzeczywistości żadne jądro z pięcioma nukleonami nie jest stabilne). Ten układ jest zatem niezwykle stabilny energetycznie dla wszystkich tych cząstek, a stabilność ta wyjaśnia wiele kluczowych faktów dotyczących helu w przyrodzie.
Na przykład stabilność i niska energia chmury elektronowej helu powoduje chemiczną obojętność helu (najbardziej ekstremalny ze wszystkich pierwiastków), a także brak wzajemnego oddziaływania atomów helu (wytwarzających najniższe temperatury topnienia i wrzenia wszystkich pierwiastków). elementy).
W podobny sposób szczególna stabilność energetyczna jądra helu-4, wywołana podobnymi efektami, odpowiada za łatwość produkcji helu-4 w reakcjach atomowych obejmujących zarówno emisję ciężkich cząstek, jak i fuzję. Pewna ilość stabilnego helu-3 jest wytwarzana w reakcjach fuzji z wodoru, ale jest to bardzo mała frakcja w porównaniu z wysoce korzystną energetycznie produkcją helu-4. Stabilność helu-4 jest powodem, dla którego wodór jest przekształcany w hel-4, a nie w deuter (wodór-2) lub hel-3 lub inne cięższe pierwiastki podczas reakcji fuzji w Słońcu. Jest również częściowo odpowiedzialny za to, że cząstka alfa jest zdecydowanie najczęstszym typem cząstki barionowej wyrzucanej z jądra atomowego; innymi słowy, rozpad alfa jest znacznie bardziej powszechny niż rozpad klasterowy .
Niezwykła stabilność jądra helu-4 ma również znaczenie kosmologiczne. Wyjaśnia to fakt, że w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu , jako „zupa” wolnych protonów i neutronów, która początkowo została wytworzona w stosunku około 6:1, schłodzona do punktu, w którym możliwe było wiązanie jądrowe, prawie wszystkie jądrami atomowymi do utworzenia były jądra helu-4. Wiązanie nukleonów w helu-4 jest tak ścisłe, że jego produkcja pochłonęła w ciągu kilku minut prawie wszystkie wolne neutrony, zanim uległy rozpadowi beta, i pozostawiła bardzo niewiele do utworzenia cięższych atomów (zwłaszcza litu , berylu i boru ). Energia wiązania jądra helu-4 na nukleon jest silniejsza niż w którymkolwiek z tych pierwiastków (patrz nukleogeneza i energia wiązania ), a zatem nie było dostępnego „napędu” energetycznego do wytworzenia pierwiastków 3, 4 i 5 po utworzeniu helu. To jest ledwie energetycznie korzystne, aby hel łączył się w następny pierwiastek o wyższej energii na nukleon (węgiel). Jednak ze względu na rzadkość pierwiastków pośrednich i ekstremalną niestabilność berylu-8 (produktu połączenia dwóch jąder 4 He), proces ten wymaga trzech jąder helu uderzających się prawie jednocześnie (patrz proces potrójnej alfa ). Nie było zatem czasu na uformowanie się znaczącego węgla w ciągu kilku minut po Wielkim Wybuchu, zanim wczesny rozszerzający się wszechświat ochłodził się do temperatury i ciśnienia, w których fuzja helu z węglem nie była już możliwa. To pozostawiło we wczesnym Wszechświecie bardzo podobny stosunek wodoru do helu, jaki obserwujemy dzisiaj (3 części wodoru na 1 część helu-4 masowo), z prawie wszystkimi neutronami we Wszechświecie uwięzionymi w helu-4.
Wszystkie cięższe pierwiastki — w tym te niezbędne dla planet skalistych, takich jak Ziemia, oraz życia opartego na węglu lub innego rodzaju — musiały być produkowane od Wielkiego Wybuchu w gwiazdach, które były wystarczająco gorące, aby stopić pierwiastki cięższe niż wodór. Wszystkie pierwiastki inne niż wodór i hel stanowią dziś zaledwie 2% masy materii atomowej we wszechświecie. Z kolei hel-4 stanowi około 23% zwykłej materii Wszechświata — prawie całej zwykłej materii, która nie jest wodorem ( 1 H).
Zobacz też
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Interaktywne właściwości nadciekłego helu-4
-
Tur, Clarisse (2009), „ZALEŻNOŚĆ NUKLEOSYTEZY SYPROCESU W MASYWNYCH GWIAZDACH OD POTRÓJNEJ ALFA I 12
C
(α, γ)16
O
NIEPEWNOŚCI REAKCJI”, The Astrophysical Journal , 702 , arXiv : 0809.0291 , Bibcode : 2009ApJ...702.1068T , doi : 10.1088/0004-637x/702/2/1068