Гелий-4 - Helium-4
 | |
| Общее | |
|---|---|
| Символ | 4Он |
| Имена | гелий-4, He-4 |
| Протоны | 2 |
| Нейтронов | 2 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 99.999863% |
| Период полураспада | стабильный |
| Изотопная масса | 4.002602 ты |
| Вращение | 0 |
| Связующая энергия | 28300,7 кэВ |
| Изотопы гелия Полная таблица нуклидов | |
Гелий-4 (4
Он
) это стабильный изотоп элемента гелий. Это, безусловно, более распространенный из двух встречающихся в природе изотопы гелия, что составляет около 99,99986% гелия на Земле. Его ядро идентично альфа-частица, и состоит из двух протоны и два нейтроны.
Альфа-распад тяжелых элементов в земной коре является источником наиболее естественного гелия-4 на Земле, образующегося после охлаждения и затвердевания планеты. Хотя он также производится термоядерная реакция в звезды считается, что большая часть гелия-4 на Солнце и во Вселенной была произведена Большой взрыв, и называется "изначальный гелий ». Однако первичный гелий-4 в значительной степени отсутствует на Земле, улетучившись во время высокотемпературной фазы формирования Земли.
Гелий-4 составляет около четверти обычного вещества во Вселенной по массе, причем почти все остальное составляет водород.
При охлаждении жидкого гелия-4 ниже 2,17 кельвины (−271,17 ° C), становится сверхтекучий со свойствами, очень не похожими на свойства обычной жидкости. Например, если в открытом сосуде находится сверхтекучий гелий-4, тонкая пленка поднимется по стенкам сосуда и переливается через край. В этом состоянии и ситуации это называется "Роллин фильм ". Такое странное поведение является результатом Соотношение Клаузиуса – Клапейрона и не может быть объяснено текущим модель из классическая механика, ни ядерный или электрические модели - это можно понимать только как квантово-механическое явление. Полный спин ядра гелия-4 является целым числом (нулем), и поэтому он бозон (как и нейтральные атомы гелия-4). Под сверхтекучим поведением теперь понимают проявление Конденсация Бозе – Эйнштейна, что происходит только с наборами бозонов.
Предполагается, что при 0,2 К и 50 атм твердый гелий-4 может быть сверхстекло (ан аморфное твердое тело экспонирование сверхтекучесть ).[1][2][3]
Гелий-4 также существует на Луне и, как и на Земле, является наиболее распространенным изотопом гелия.[нужна цитата ]
Атом гелия-4
Атом гелия - второй по простоте атом (водород - самый простой), но лишний электрон вводит третье «тело», поэтому решение его волновое уравнение становится "проблема трех тел ", который не имеет аналитического решения. Однако численные аппроксимации уравнений квантовой механики дали хорошую оценку ключевых атомных свойств гелий-4, например его размер и энергия ионизации.
Стабильность 4Ядро и электронная оболочка
Ядро атома гелия-4 идентично ядру альфа-частица. Эксперименты по рассеянию электронов при высоких энергиях показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается от максимума в центральной точке, точно так же, как плотность заряда самого гелия. электронное облако. Эта симметрия отражает схожую физическую основу: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантово-механическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены другому потенциалу ядерной связи), так что все эти фермионы полностью занять 1 с орбитали попарно, ни один из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый 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 устойчиво для всех этих частиц, и эта стабильность объясняет многие важные факты, касающиеся гелия в природе.
Например, стабильность и низкая энергия электронного облака гелия вызывает химическую инертность гелия (самый крайний из всех элементов), а также отсутствие взаимодействия атомов гелия друг с другом (что приводит к самым низким температурам плавления и кипения из всех элементов). элементы).
Точно так же особая энергетическая стабильность ядра гелия-4, вызванная аналогичными эффектами, объясняет легкость образования гелия-4 в атомных реакциях, включающих как испускание тяжелых частиц, так и синтез. Некоторое количество стабильного гелия-3 производится в реакциях термоядерного синтеза из водорода, но это очень малая часть по сравнению с высокоэнергетически выгодным производством гелия-4. Стабильность гелия-4 является причиной того, что водород превращается в гелий-4, а не дейтерий (водород-2), гелий-3 или другие более тяжелые элементы во время реакций синтеза на Солнце. Это также частично отвечает за то, что альфа-частица является наиболее распространенным типом барионных частиц, выбрасываемых из атомного ядра; другими словами, альфа-распад гораздо чаще, чем кластерный распад.
Необычная стабильность ядра гелия-4 также важна с космологической точки зрения. Это объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большой взрыв, поскольку «суп» из свободных протонов и нейтронов, который первоначально был создан в соотношении примерно 6: 1, охладился до точки, где ядерное связывание стало возможным, почти все сформированные атомные ядра были ядрами гелия-4. Связь нуклонов в гелии-4 настолько сильна, что при его образовании почти все свободные нейтроны израсходованы за несколько минут, прежде чем они смогут бета-распадом, и осталось очень мало для образования более тяжелых атомов (особенно литий, бериллий, и бор ). Энергия ядерной связи гелия-4 на нуклон сильнее, чем у любого из этих элементов (см. нуклеогенез и энергия связи ), и, следовательно, не было энергетического «двигателя» для создания элементов 3, 4 и 5 после образования гелия. Для гелия едва ли энергетически выгодно сливаться в следующий элемент с более высокой энергией на единицу нуклон (углерод). Однако из-за редкости промежуточных элементов и крайней нестабильности бериллий-8 (продукт, когда два 4Он сливается с ядрами), для этого процесса необходимо, чтобы три ядра гелия столкнулись друг с другом почти одновременно (см. тройной альфа-процесс ). Таким образом, не было времени для образования значительного количества углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, до того, как ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до температуры и давления, при которых синтез гелия с углеродом был невозможен. Это оставило раннюю Вселенную с очень похожим соотношением водорода и гелия, которое наблюдается сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), при этом почти все нейтроны во Вселенной были захвачены гелием-4.
Все более тяжелые элементы - в том числе те, которые необходимы для каменистых планет, таких как Земля, и для углеродной или другой жизни, - таким образом, должны были производиться после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы плавить элементы тяжелее водорода. Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют всего 2% от массы атомной материи во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычного вещества Вселенной - почти все обычное вещество, не являющееся водородом (1ЧАС).
| Более легкий: гелий-3 | Гелий-4 - это изотоп из гелий | Тяжелее: гелий-5 |
| Продукт распада из: литий-5(п ) гелий-5(п ) бериллий-6(2p) бериллий-8(α) | Цепочка распада гелия-4 | Распада кому: Стабильный |
Смотрите также
использованная литература
- ^ Джулио Бироли; Клаудио Чамон; Франческо Зампони (2008). «Теория сверхстекловой фазы». Физический обзор B. 78 (22): 19. arXiv:0807.2458. Bibcode:2008PhRvB..78v4306B. Дои:10.1103 / PhysRevB.78.224306.
- ^ «Пресс-релиз: Сверхтвердое или сверхстекло? Исследователи из Корнелла изучают странное состояние вещества в гелии - Корнеллские хроники».
- ^ Юй Сяоцюань; Мюллер, Маркус (2011). «Теория среднего поля сверхстеклов». Физический обзор B. 85 (10): 104205. arXiv:1111.5956. Bibcode:2012PhRvB..85j4205Y. Дои:10.1103 / PhysRevB.85.104205.
внешние ссылки
Тур, Кларисс (2009), "ЗАВИСИМОСТЬ НУКЛЕОСИНТЕЗА s-ПРОЦЕССА В МАССИВНЫХ ЗВЕЗДАХ ОТ ТРОЙНОЙ АЛЬФЫ И 12
C
(α, γ)16
О
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ", Астрофизический журнал, 702, arXiv:0809.0291, Bibcode:2009ApJ ... 702.1068T, Дои:10.1088 / 0004-637x / 702/2/1068