Heliumisotope – Wikipedia

Obwohl neun Heliumisotope bekannt sind (₂He) (Standard-Atomgewicht: 4.002602(2)), nur Helium-3 (³
Er
) und Helium-4 (⁴
Er
) sind stabil. Alle Radioisotope sind kurzlebig, das langlebigste Wesen ⁶
Er
mit einer Halbwertszeit von 806.92±0,24 Millisekunden. Am wenigsten stabil ist ¹⁰
Er
, mit einer Halbwertszeit von 260±40 Yoktosekunden ((2.6±0,4)×10⁻²² S), obwohl es möglich ist, dass ²
Er
kann eine noch kürzere Halbwertszeit haben.

In der Erdatmosphäre ist das Verhältnis von ³
Er
zu ⁴
Er
ist (1.343±0,013)×10^-6.^[3] Die Isotopenhäufigkeit von Helium variiert jedoch stark in Abhängigkeit von seiner Herkunft. In der Local Interstellar Cloud ist der Anteil von ³
Er
zu ⁴
Er
ist (1,62±0,29)×10^-4,^[4] welches ist 121±22 mal höher als die von atmosphärischem Helium. Gesteine ​​aus der Erdkruste haben Isotopenverhältnisse, die um den Faktor zehn variieren; In der Geologie wird damit die Entstehung von Gesteinen und die Zusammensetzung des Erdmantels untersucht.^[5] Die unterschiedlichen Bildungsprozesse der beiden stabilen Heliumisotope erzeugen die unterschiedlichen Isotopenhäufigkeiten.

Gleiche Mischungen von Flüssigkeit ³
Er
und ⁴
Er
unter 0,8 K trennen sich aufgrund ihrer Unähnlichkeit in zwei nicht mischbare Phasen (sie folgen unterschiedlichen Quantenstatistiken: ⁴
Er
Atome sind Bosonen, während ³
Er
Atome sind Fermionen).^[6]Verdünnungskühlschränke nutzen die Unmischbarkeit dieser beiden Isotope, um Temperaturen von einigen Millikelvin zu erreichen.

Liste der Isotope[edit]

Helium-2 (Diproton)[edit]

Helium-2 oder ²
Er
ist ein extrem instabiles Heliumisotop. Sein Kern, a Diproton, besteht aus zwei Protonen ohne Neutronen. Nach theoretischen Berechnungen wäre es viel stabiler gewesen (obwohl es noch β⁺ Zerfall zu Deuterium), wenn die starke Kraft um 2% größer gewesen wäre.^[11] Seine Instabilität ist auf Spin-Spin-Wechselwirkungen in der Kernkraft und das Pauli-Ausschlussprinzip zurückzuführen, das die beiden Protonen zu anti-ausgerichteten Spins zwingt und dem Diproton eine negative Bindungsenergie verleiht.^[12]

Möglicherweise gab es Beobachtungen von ²
Er
. Im Jahr 2000 beobachteten Physiker erstmals eine neue Art des radioaktiven Zerfalls, bei dem ein Kern zwei Protonen gleichzeitig emittiert – vielleicht ein ²
Er
Kern.^[13][14] Das Team unter der Leitung von Alfredo Galindo-Uribarri vom Oak Ridge National Laboratory gab bekannt, dass die Entdeckung Wissenschaftlern helfen wird, die starke Kernkraft zu verstehen und neue Einblicke in die Entstehung von Elementen in Sternen zu geben. Galindo-Uribarri und Mitarbeiter wählten ein Neon-Isotop mit einer Energiestruktur, die verhindert, dass Protonen einzeln emittiert werden. Das bedeutet, dass die beiden Protonen gleichzeitig ausgestoßen werden. Das Team feuerte einen Strahl von Fluorionen auf ein protonenreiches Ziel ab, um ¹⁸
Ne
, die dann in Sauerstoff und zwei Protonen zerfiel. Alle vom Target selbst ausgestoßenen Protonen wurden anhand ihrer charakteristischen Energien identifiziert. Es gibt zwei Wege, auf denen die Zwei-Protonen-Emission ablaufen kann. Der Neonkern könnte ein “Diproton” ausstoßen – ein Paar von Protonen, die als a . gebündelt sind ²
Er
Kern, der dann in einzelne Protonen zerfällt. Alternativ können die Protonen getrennt aber gleichzeitig emittiert werden – sogenannter „demokratischer Zerfall“. Das Experiment war nicht empfindlich genug, um festzustellen, welcher dieser beiden Prozesse ablief.

Mehr Beweise für ²
Er
wurde 2008 im Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien gefunden.^[9][15] Ein Strahl von ²⁰
Ne
Ionen wurde auf ein Ziel aus Berylliumfolie gerichtet. Diese Kollision verwandelte einige der schwereren Neonkerne im Strahl in ¹⁸
Ne
Kerne. Diese Kerne kollidierten dann mit einer Bleifolie. Die zweite Kollision hatte die Wirkung, die ¹⁸
Ne
Kern in einen sehr instabilen Zustand. Wie bei dem früheren Experiment in Oak Ridge wurde die ¹⁸
Ne
Kern zerfiel in ein ¹⁶
Ö
Kern, plus zwei nachgewiesene Protonen, die aus der gleichen Richtung austreten. Das neue Experiment zeigte, dass die beiden Protonen zunächst zusammen ausgestoßen wurden, korreliert in einem quasi gebundenen ¹S-Konfiguration, bevor sie viel weniger als eine Nanosekunde später in einzelne Protonen zerfällt.

Weitere Beweise stammen von RIKEN in Japan^{[citation needed]} und JINR in Dubna, Russland,^{[citation needed]} wo Balken von ⁶
Er
Kerne wurden auf ein kryogenes Wasserstoff-Target gerichtet, um ⁵
Er
. Es wurde festgestellt, dass die ⁶
Er
Kern kann alle vier seiner Neutronen an den Wasserstoff abgeben.^{[citation needed]} Die beiden verbleibenden Protonen könnten gleichzeitig als a . aus dem Target geschleudert werden ²
Er
Kern, der schnell in zwei Protonen zerfiel. Eine ähnliche Reaktion wurde auch bei beobachtet ⁸
Er
Kerne, die mit Wasserstoff kollidieren.^[16]

²
Er
ist ein Zwischenprodukt im ersten Schritt der Proton-Proton-Kettenreaktion. Der erste Schritt der Proton-Proton-Kettenreaktion ist ein zweistufiger Prozess; Zuerst verschmelzen zwei Protonen zu einem Diproton:

¹
₁h
+ ¹
₁h
+ 1,25 MeV → ²
₂Er
,

gefolgt vom sofortigen Beta-Plus-Zerfall des Diprotons zu Deuterium:

²
₂Er
→ ²
₁D
+
e⁺
+
ν
_e + 1,67 MeV,

mit der Gesamtformel

¹
₁h
+ ¹
₁h
→ ²
₁D
+
e⁺
+
ν
_e + 0,42 MeV.

Der hypothetische Effekt der Bindung des Diprotons auf den Urknall und die stellare Nukleosynthese wurde untersucht.^[11] Einige Modelle legen nahe, dass Variationen der starken Kraft, die die Existenz eines gebundenen Diprotons ermöglicht, die Umwandlung des gesamten ursprünglichen Wasserstoffs in Helium im Urknall mit katastrophalen Folgen für die Entwicklung von Sternen und Leben ermöglichen würden. Dieser Satz wird als Beispiel für das anthropische Prinzip verwendet. Eine Studie aus dem Jahr 2009 legt jedoch nahe, dass eine solche Schlussfolgerung nicht gezogen werden kann, da die gebildeten Diprotonen immer noch zu Deuterium zerfallen würden, dessen Bindungsenergie ebenfalls zunehmen würde. In einigen Szenarien wird postuliert, dass Wasserstoff (in Form von Deuterium) noch in relativ großen Mengen überleben könnte, was Argumente widerlegt, dass die starke Kraft innerhalb einer genauen anthropischen Grenze eingestellt ist.^[17]

Helium-3[edit]

Ein Helium-3-Atom enthält zwei Protonen, ein Neutron und zwei Elektronen

³
Er
ist stabil und ist das einzige stabile Isotop außer ¹
h
mit mehr Protonen als Neutronen. (Es gibt viele solcher instabilen Isotope, das leichteste Wesen ⁷
Sei
und ⁸
B
.) Es gibt nur eine Spurenmenge (0.000002(2))^[10] von ³
Er
auf der Erde, hauptsächlich seit der Entstehung der Erde vorhanden, obwohl einige im kosmischen Staub gefangen auf die Erde fallen.^[5] Spurenmengen werden auch durch den Beta-Zerfall von Tritium produziert.^[18] In Sternen jedoch ³
Er
ist häufiger, ein Produkt der Kernfusion. Extraplanetares Material wie Mond- und Asteroidenregolith enthält Spuren von ³
Er
durch Sonnenwindbeschuss.

Damit Helium-3 eine Supraflüssigkeit bilden kann, muss es auf eine Temperatur von 0,0025 K oder fast tausendmal niedriger als Helium-4 (2,17 K) abgekühlt werden. Dieser Unterschied wird durch Quantenstatistik erklärt, da Helium-3-Atome Fermionen sind, während Helium-4-Atome Bosonen sind, die leichter zu einer Supraflüssigkeit kondensieren.

Helium-4[edit]

Ein Helium-4-Atom enthält zwei Protonen, zwei Neutronen und zwei Elektronen

Das häufigste Isotop, ⁴
Er
, wird auf der Erde durch Alpha-Zerfall schwerer radioaktiver Elemente erzeugt; die austretenden Alphateilchen sind vollständig ionisiert ⁴
Er
Kerne. ⁴
Er
ist ein ungewöhnlich stabiler Kern, weil seine Nukleonen zu vollständigen Schalen angeordnet sind. Es wurde auch während der Urknall-Nukleosynthese in enormen Mengen gebildet.

Terrestrisches Helium besteht fast ausschließlich (0,999998(2))^[10] dieses Isotops. Der Siedepunkt von Helium-4 ist mit 4,2 K der zweitniedrigste aller bekannten Stoffe, nur nach Helium-3. Bei weiterer Abkühlung auf 2,17 K geht es in einen einzigartigen suprafluiden Zustand mit Nullviskosität über. Es erstarrt erst bei Drücken über 25 Atmosphären, wo sein Schmelzpunkt 0,95 K beträgt.

Schwerere Heliumisotope[edit]

Obwohl alle schwereren Heliumisotope mit einer Halbwertszeit von weniger als einer Sekunde zerfallen, haben Forscher mit Teilchenbeschleunigerkollisionen ungewöhnliche Atomkerne für Elemente wie Helium, Lithium und Stickstoff erzeugt. Die ungewöhnlichen Kernstrukturen solcher Isotope können Aufschluss über die isolierten Eigenschaften von Neutronen geben.^{[citation needed]}

Das kurzlebigste Isotop ist Helium-10 mit einer Halbwertszeit von 260±40 Yoktosekunden. Helium-6 zerfällt durch Emission eines Beta-Teilchens und hat eine Halbwertszeit von 806.92±0,24 Millisekunden. Das am häufigsten untersuchte schwere Heliumisotop ist Helium-8. Es wird angenommen, dass dieses Isotop, ebenso wie Helium-6, aus einem normalen Helium-4-Kern besteht, der von einem Neutronen-“Halo” umgeben ist (der zwei Neutronen in enthält). ⁶
Er
und vier Neutronen in ⁸
Er
). Halo-Kerne sind zu einem Gebiet intensiver Forschung geworden. Isotope bis Helium-10 mit zwei Protonen und acht Neutronen wurden bestätigt. ¹⁰
Er
, obwohl es ein doppelt magisches Isotop ist, hat eine sehr kurze Halbwertszeit; es ist nicht teilchengebunden und tropft fast augenblicklich zwei Neutronen heraus.^[19]

Externe Links[edit]

Verweise[edit]