Helium ( ²He ) besitzt neun bekannte Isotope , von denen jedoch nur Helium-3 ( ³He ) und Helium-4 ( ⁴He ) stabil sind . Alle Radioisotope sind kurzlebig; die einzigen an Teilchen gebundenen Isotope sind ⁶He und ⁸He mit Halbwertszeiten von 806,9 bzw. 119,5 Millisekunden.

In der Erdatmosphäre beträgt das Verhältnis von 3He zu 4He :1,37 × 10⁻⁶ . [ 2 ] Die Isotopenhäufigkeit von Helium variiert jedoch stark in Abhängigkeit von seiner Herkunft, wobei Helium-4 stets deutlich überwiegt. In der Lokalen Interstellaren Wolke beträgt das Verhältnis von ³He zu ⁴He 1,37 × 10⁻⁶ . [ 2 ]1,62(29) × 10⁻⁴ , [ 4 ] was etwa 120 -mal höher ist als in der Erdatmosphäre. Gesteine ​​der Erdkruste weisen Isotopenverhältnisse auf, die um bis zu einem Faktor zehn variieren; dies wird in der Geologie genutzt , um die Entstehung von Gesteinen und die Zusammensetzung des Erdmantels zu untersuchen . [ 5 ] Die unterschiedlichen Bildungsprozesse der beiden stabilen Heliumisotope führen zu den unterschiedlichen Isotopenhäufigkeiten.

Gleiche Mischungen aus flüssigem 3He und 4He untenBei 0,8 K trennen sich die beiden Isotope aufgrund von Unterschieden in der Quantenstatistik in zwei nicht mischbare Phasen : <sup>4 </sup>He-Atome sind Bosonen , während <sup>3 </sup>He-Atome Fermionen sind . [ 6 ] Verdünnungskühlschränke nutzen die Unmischbarkeit dieser beiden Isotope, um Temperaturen bis hinunter zu wenigen Millikelvin zu erreichen .

Ein Gemisch der beiden Isotope trennt sich spontan in ³He -reiche und ⁴He -reiche Bereiche. [ 7 ] Phasentrennung tritt auch in ultrakalten Gassystemen auf . [ 8 ] Sie wurde experimentell in einem Zweikomponenten- Fermi-Gas nachgewiesen . [ 9 ] [ 10 ] Die Phasentrennung kann mit anderen Phänomenen wie der Bildung von Wirbelgittern oder einer exotischen Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Phase konkurrieren . [ 11 ]

Liste der Isotope

Nuklid ZNIsotopenmasse ( Da ) [ 12 ] [ n 1 ]Entdeckungsjahr [ 13 ]​Halbwertszeit [ 1 ] [ Resonanzbreite ] Zerfallsmodus [ 1 ] [ n 2 ]Tochterisotop [ n 3 ]Spin und Parität [ 1 ] [ n 4 ] [ n 5 ]Natürliche Häufigkeit (Molenbruch)
Normales Verhältnis [ 1 ]Variationsbereich
2 Er [ n 6 ]2 0 2.015 894 (2)1936p (>99,99 % ) 1 H0+#
β + (<0,01% ) 2 H
3 Er [ n 6 ] [ n 7 ] [ n 8 ]2 1 3.016 029 321 967 (60)1934Stabil1/2+ 0,000 002 (2) [ 2 ][4,6 × 10 −10 ,0,000 041 ] [ 14 ]
4 Er [ n 7 ] [ n 9 ]2 2 4.002 603 254 130 (158)1908Stabil0+ 0,999 998 (2) [ 2 ][0,999 959 ,1.000 000 ] [ 14 ]
5 Er 2 3 5.012 057 (21)19376,02(22) × 10 −22  s [758(28) keV ] N4 Er3/2−
6 Er [ n 10 ]2 4 6.018 885 889 (57)1936806,92(24) msβ − (99,999 722 (18) %) 6 Li0+
β − d [ n 11 ] (0,000 278 (18) %) 4 Er
7 Er 2 5 7.027 991 (8)19672,51(7) × 10 −21  s [182(5) keV ] N 6 Er (3/2)−
8 Er [ n 12 ]2 6 8.033 934 388 (95)1965119,5(1,5) msβ − (83,1(1,0)% ) 8 Li 0+
β − n (16(1)% ) 7 Li
β − t [ n 13 ] (0,9(1)% ) 5 Er
9 Er 2 7 9.043 946 (50)19872,5(2,3) × 10 −21  sN 8Er1/2(+)
10 Er 2 8 10.052 815 31 (10)19942,60(40) × 10 −22  s [1,76(27) MeV ] 2n 8 Er 0+
Diese Tabellenkopf- und -fußzeile:
  • Sicht
  1. ^ ( ) – Die Unsicherheit (1 σ ) wird in Kurzform in Klammern nach den entsprechenden letzten Ziffern angegeben.
  2. ^ Zerfallsarten:
    N:Neutronenemission
    P:Protonenemission
  3. ^ Fettgedrucktes Symbol als Tochterprodukt – Tochterprodukt ist stabil.
  4. ^ ( ) Spinwert – Gibt den Spin mit schwachen Zuweisungsargumenten an.
  5. ^ # – Mit # gekennzeichnete Werte wurden nicht ausschließlich aus experimentellen Daten abgeleitet, sondern zumindest teilweise aus Trends benachbarter Nuklide (TNN).
  6. ^ a b Zwischenprodukt in der Proton-Proton-Kette
  7. ^ a b Entstanden in der Urknall-Nukleosynthese
  8. ^ Dies und 1H sind die einzigen stabilen Atomkerne mit mehr Protonen als Neutronen.
  9. ^ Entsteht beim Alpha-Zerfall.
  10. ^ Besitzt 2 Halo- Neutronen
  11. ^ d: Deuteronenemission
  12. ^ Besitzt 4 Halo-Neutronen
  13. ^ t: Triton -Emission

Helium-2 (Diproton)

Helium-2, <sup>2</sup> He, ist ungebunden. Das einzige gebundene Atom mit der Massenzahl 2 ist Deuterium . [ 15 ] [ 16 ] Der Kern von <sup>2 </sup> He, ein Diproton , besteht aus zwei Protonen und enthält keine Neutronen . Seine Instabilität beruht auf Spin-Spin-Wechselwirkungen in der Kernkraft und dem Pauli-Prinzip . Dieses besagt, dass in einem gegebenen Quantensystem zwei oder mehr identische Teilchen mit gleichem halbzahligen Spin ( Fermionen ) nicht gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen können. Daher haben die beiden Protonen von <sup> 2 </sup>He entgegengesetzt ausgerichtete Spins, und das Diproton selbst besitzt eine negative Bindungsenergie . [ 17 ]

Eine seltene Form der Radioaktivität ist die Diprotonenemission, bei der ein Atomkern zwei Protonen in einer quasi-gebundenen 1S₀-Konfiguration aussendet , die sich anschließend wieder trennen. [ 18 ] Im Jahr 2000 detektierte das Oak Ridge National Laboratory die Zwei-Protonen-Emission von18 10Ne , erzeugt von einem17 9Ein Fluor -Ionenstrahl wurde auf ein protonenreiches Target gerichtet. Das Experiment war jedoch nicht empfindlich genug, um zu unterscheiden, ob die Emission auf den Zerfall zweier getrennter Protonen oder eines Diprotons zurückzuführen war. [ 19 ] [ 20 ] Im Jahr 2008bestätigte das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare den Zerfall von <sup>18</sup> Ne in ein Diproton mit einem Verzweigungsverhältnis von 31 %. [ 21 ] [ 22 ] Seitdem wurde in mehreren Experimenten die Emission von Diprotonen anderer Isotope nachgewiesen. [ 18 ]

Das Fehlen gebundener Diprotonen wurde als Argument für eine Feinabstimmung der Bedingungen für die Entstehung von Leben herangezogen, da es die Nukleosynthese im Urknall und die Sternentwicklung beeinflusst . [ 23 ] [ 24 ] Hypothetische Modelle legen nahe, dass Diprotonen gebunden wären, wenn die starke Wechselwirkung um 2 % stärker wäre (aber weiterhin β⁺ - Zerfall zu Deuterium erfolgen würde). [ 25 ] Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass ein Universum mit gebundenen Diprotonen die Entstehung von Sternen und Leben nicht ausschließt. [ 25 ] [ 24 ] [ 16 ]

Eine Auswirkung eines hypothetischen gebundenen Diprotons ist eine Veränderung der frühen Schritte der Proton-Proton-Kette. In unserem Universum erfolgt der erste Schritt der Proton-Proton-Kette über die schwache Wechselwirkung, [ 26 ] [ 27 ].

p + p →2 1D + e++ νe+0,42 MeV

Im hypothetischen Fall könnte sich stattdessen ein Diproton ohne die schwache Wechselwirkung bilden, [ 16 ] [ 25 ].

p + p → 2 2Er

Das Diproton würde dann durch Beta-Plus-Zerfall in Deuterium zerfallen :

2 2Er →2 1D + e++ νeDie

Mit der Gesamtformel,

p + p →2 1D + e++ νeDie

Unter dem Einfluss elektromagnetischer Wechselwirkungen können die Jaffe-Low-Primitive [ 28 ] den unitären Schnitt verlassen und schmale Zwei-Nukleonen-Resonanzen erzeugen, wie beispielsweise eine Diprotonenresonanz mit einer Masse von 2000 MeV und einer Breite von einigen hundert keV. [ 29 ] Zur Suche nach dieser Resonanz wird ein Protonenstrahl mit einer kinetischen Energie von 250 MeV und einer Energieverteilung unter 100 keV benötigt, was angesichts der Elektronenkühlung des Strahls realisierbar ist.

Helium-3

<sup>3 </sup>He ist neben <sup> 1</sup> H das einzige stabile Isotop mit mehr Protonen als Neutronen. Es gibt viele solcher instabiler Isotope, wie z. B. <sup> 7 </sup>Be und <sup>8</sup> B. Auf der Erde findet sich nur eine Spur (~2 ppm) [ 2 ] von <sup> 3 </sup>He, die hauptsächlich seit der Entstehung der Erde vorhanden ist, obwohl ein Teil davon im kosmischen Staub eingeschlossen auf die Erde gelangt. [ 5 ] Spurenmengen entstehen auch beim Beta-Zerfall von Tritium . [ 30 ] In Sternen ist <sup> 3 </sup>He jedoch häufiger anzutreffen; es entsteht dort durch Kernfusion . Extraplanetares Material, wie z. B. Mond- und Asteroidenregolith , enthält Spuren von <sup>3 </sup>He, die durch den Sonnenwind verursacht wurden.

Um superfluid zu werden , muss 3 He auf 2,5 Millikelvin abgekühlt werden , das ist etwa 900 Mal niedriger als bei 4 He (2,17 K ). Dieser Unterschied lässt sich durch die Quantenstatistik erklären : 3 He-Atome sind Fermionen , während 4 He-Atome Bosonen sind , die leichter zu einem Suprafluid kondensieren.

Helium-4

Das häufigste Isotop, <sup>4 </sup>He, entsteht auf der Erde durch den Alpha-Zerfall schwererer Elemente; die dabei entstehenden Alphateilchen sind vollständig ionisierte <sup>4 </sup>He-Kerne. <sup> 4</sup> He ist ein ungewöhnlich stabiler Kern, da er doppelt ionisiert ist . Er wurde in enormen Mengen während der Nukleosynthese des Urknalls gebildet .

Terrestrisches Helium besteht fast ausschließlich (bis auf ca. 2 ppm) [ 2 ] aus ⁴He . Der Siedepunkt von ⁴He beträgt4,2 K ist die niedrigste Temperatur aller bekannten Substanzen außer ³He . Bei weiterer Abkühlung aufBei 2,17 K wird es zu einer einzigartigen Supraflüssigkeit mit verschwindender Viskosität . Es erstarrt erst bei Drücken über 25 Atmosphären, wo es schmilzt.0,95 K .

Helium-5

Eine sowjetische Briefmarke von 1987, die den Tokamak T-15 würdigt, zeigt den Helium-5-Kern während der Deuterium-Tritium-Fusion.
Fusionsquerschnitte der wichtigsten Reaktionen. Ohne die Resonanz in Helium-5 wäre die DT-Reaktion der DD-Reaktion ähnlich.

Helium-5 ist extrem instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 602 Yoktosekunden zu Helium-4. Es entsteht kurzzeitig bei der günstigen Fusionsreaktion:

Die Reaktion wird durch das Vorhandensein einer Resonanz deutlich verstärkt. Helium-5, das im Grundzustand bei 0 MeV einen natürlichen Spin von -3/2 aufweist, besitzt einen angeregten Spin von +3/2 bei 16,84 MeV. Da bei der Reaktion Helium-5-Kerne mit einem Energieniveau nahe diesem Zustand entstehen, tritt sie häufiger auf. Dies wurde von Egon Bretscher entdeckt, der im Rahmen des Manhattan-Projekts die Entwicklung von Fusionsreaktionen für militärische Zwecke untersuchte .

Die DT-Reaktion ist bei relevanten Energien 100-mal wahrscheinlicher als die DD-Reaktion, wäre aber ohne die Resonanz ähnlich. Die 2H - 3He -Reaktion profitiert von einer ähnlichen Resonanz in Lithium-5 , ist jedoch Coulomb -unterdrückt, d. h. die zweifache Ladung des Heliumkerns erhöht die elektrostatische Abstoßung für die Kernfusion. [ 31 ]

Helium-6 und Helium-8

Dies sind die langlebigen radioaktiven Isotope des Heliums: Helium-6 zerfällt durch Beta -Zerfall mit einer Halbwertszeit von 806,9 Millisekunden, Helium-8 mit einer Halbwertszeit von 119,5 Millisekunden, wobei bei letzterem zusätzliche Teilchenemissionen möglich und signifikant sind. Man geht davon aus, dass <sup> 6 </sup> He und <sup>8 </sup>He aus einem normalen <sup>4 </sup>He-Kern bestehen, der von einem Neutronen-„ Halo “ umgeben ist (zwei Neutronen bei <sup>6</sup> He und vier Neutronen bei <sup>8</sup> He). Die ungewöhnlichen Strukturen von Halo-Kernen könnten Einblicke in die Eigenschaften isolierter Neutronen und in die Physik jenseits des Standardmodells ermöglichen . [ 32 ] [ 33 ]

Siehe auch

Tochterprodukte außer Helium

Referenzen

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