Isótopos de helio

Aunque se conocen nueve isótopos de helio (2He) (peso atómico estándar: 4,002602(2)), sólo el helio-3 (3He) y el helio-4 (4He) son estables. Todos los radioisótopos son de vida corta, siendo el más largo el 6He con una vida media de 806,7 milisegundos. El menos estable es el 5He, con una vida media de 7,6×10−22 s, aunque es posible que el 2He tenga una vida media aún más corta.

En la atmósfera terrestre hay un átomo de 3He por cada millón de átomos de 4He. Sin embargo, el helio es inusual porque su abundancia isotópica varía mucho según su origen. En el medio interestelar, la proporción de 3He es unas cien veces mayor. Las rocas de la corteza terrestre tienen proporciones de isótopos que varían hasta en un factor de diez; Este se utiliza en geología para investigar el origen de las rocas y la composición del manto terrestre. Los diferentes procesos de formación de los dos isótopos estables del helio producen diferentes abundancias de isótopos.

Mezclas iguales de 3He y 4He líquidos por debajo de 0,8 K se separarán en dos fases inmiscibles debido a su disimilitud (siguen estadísticas cuánticas diferentes: 4 átomos de He son bosones mientras que 3 átomos de He son fermiones). Los refrigeradores de dilución aprovechan la inmiscibilidad de estos dos isótopos para alcanzar temperaturas de unos pocos mikelvins.

Lista de isótopos

1. ( ) – La incertidumbre (1σ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.

2. Modos de descomposición:

3. n: emisión de neutrones

4. p: emisión de protones

5. 
   

6. Símbolo en negrita como hijo: el producto hijo es estable.

7. ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.

8. # – Los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).

9. Intermedio en la reacción en cadena protón-protón.

10. Producido durante la nucleosíntesis del Big Bang

11. Este y el 1H son los únicos nucleidos estables con más protones que neutrones.

12. Tiene 2 halos de neutrones.

13. Tiene 4 halos de neutrones

• La composición isotópica se refiere a la del aire.

Helio-2 (diprotón)

El helio-2 o 2He es un isótopo de helio extremadamente inestable. Su núcleo, un diprotón, consta de dos protones sin neutrones. Según cálculos teóricos, habría sido mucho más estable (aunque todavía experimentaba desintegración β+ a deuterio); si la fuerza fuerte hubiera sido un 2% mayor. Su inestabilidad se debe a las interacciones espín-espín en la fuerza nuclear y al principio de exclusión de Pauli, que obliga a los dos protones a tener espines antialineados y le da al diprotón una energía de enlace negativa.

Es posible que haya habido observaciones de 2 He En 2000, los físicos observaron por primera vez un nuevo tipo de desintegración radiactiva en el que un núcleo emite dos protones a la vez (quizás un núcleo de 2He). El equipo dirigido por Alfredo Galindo-Uribarri del Laboratorio Nacional Oak Ridge anunció que el descubrimiento ayudará a los científicos a comprender la fuerza nuclear fuerte y proporcionará nuevos conocimientos sobre la creación de elementos dentro de las estrellas. Galindo-Uribarri y sus colaboradores eligieron un isótopo de neón con una estructura energética que le impide emitir protones de uno en uno. Esto significa que los dos protones son expulsados ​​simultáneamente. El equipo disparó un haz de iones de flúor a un objetivo rico en protones para producir 18Ne, que luego se descompuso en oxígeno y dos protones. Todos los protones expulsados ​​del objetivo fueron identificados por sus energías características. Hay dos formas en que puede realizarse la emisión de dos protones. El núcleo de neón podría expulsar un "diprotón" (un par de protones agrupados formando un núcleo de 2He) que luego se desintegra en protones separados. Alternativamente, los protones pueden emitirse por separado pero simultáneamente, lo que se conoce como "decadencia democrática". El experimento no fue lo suficientemente sensible como para establecer cuál de estos dos procesos estaba ocurriendo.

En 2008 se encontraron más pruebas de 2He en el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia. Se dirigió un haz de iones de 20Ne a un objetivo de lámina de berilio. Esta colisión convirtió algunos de los núcleos de neón más pesados ​​del haz en núcleos de 18Ne. Luego, estos núcleos chocaron con una lámina de plomo. La segunda colisión tuvo el efecto de excitar el núcleo de 18Ne y llevarlo a una condición altamente inestable. Como en el experimento anterior en Oak Ridge, el núcleo de 18Ne se desintegró en un núcleo de 16O, además se detectaron dos protones saliendo en la misma dirección. El nuevo experimento demostró que los dos protones fueron inicialmente expulsados ​​juntos, correlacionados en una configuración 1S casi enlazada, antes de descomponerse en protones separados mucho menos de un nanosegundo después.

Más evidencia proviene de RIKEN en Japón y JINR en Dubna, Rusia, donde se dirigieron haces de núcleos de 6He a un objetivo de hidrógeno criogénico para producir 5He. Se descubrió que el núcleo de 6He puede donar sus cuatro neutrones al hidrógeno. Los dos protones restantes podrían ser expulsados ​​simultáneamente del objetivo como un núcleo de 2He, que rápidamente se desintegró en dos protones. También se ha observado una reacción similar en núcleos de 8He que chocan con hidrógeno.

El 2He es un intermediario en el primer paso de la reacción en cadena protón-protón. El primer paso de la reacción en cadena protón-protón es un proceso de dos etapas; Primero, dos protones se fusionan para formar un diprotón:

1

1H

 + 1

1H

 + 1.25 MeV → 2

2He

,

followed by the immediate beta-plus decay of the diproton to deuterium:

2

2He

 → 2

1D

 + 

e+

 + 

ν

e + 1.67 MeV,

with the overall formula

1

1H

 + 1

1H

 → 2

1D

 + 

e+

 + 

ν

e + 0.42 MeV.

The hypothetical effect of the binding of the diproton on Big Bang and stellar nucleosynthesis has been investigated. Some models suggest that variations in the strong force allowing the existence of a bound diproton would enable the conversion of all primordial hydrogen to helium in the Big Bang, with catastrophic consequences on the development of stars and life. This proposition is used as an example of the anthropic principle. However, a 2009 study suggests that such a conclusion cannot be drawn, as the formed diprotons would still decay to deuterium, whose binding energy would also increase. In some scenarios, it is postulated that hydrogen (in the form of deuterium) could still survive in relatively large quantities, refuting arguments that the strong force is tuned within a precise anthropic limit.

Helium-3

Main article: Helium-3

A helium-3 atom contains two protons, one neutron, and two electrons

3
He
is stable and is the only stable isotope other than 1
H
with more protons than neutrons. (There are many such unstable isotopes, the lightest being 7
Be
and 8
B
.) There is only a trace amount (0.000137%) of 3
He
on Earth, primarily present since the formation of the Earth, although some falls to Earth trapped in cosmic dust. Trace amounts are also produced by the beta decay of tritium. In stars, however, 3
He
is more abundant, a product of nuclear fusion. Extraplanetary material, such as lunar and asteroid regolith, has trace amounts of 3
He
from solar wind bombardment.

For helium-3 to form a superfluid, it must be cooled to a temperature of 0.0025 K, or almost a thousand times lower than helium-4 (2.17 K). This difference is explained by quantum statistics, since helium-3 atoms are fermions, while helium-4 atoms are bosons, which condense to a superfluid more easily.

Helium-4

Main article: Helium-4

A helium-4 atom contains two protons, two neutrons, and two electrons

The most common isotope, 4
He
, is produced on Earth by alpha decay of heavier radioactive elements; the alpha particles that emerge are fully ionized 4
He
nuclei. 4
He
is an unusually stable nucleus because its nucleons are arranged into complete shells. It was also formed in enormous quantities during Big Bang nucleosynthesis.

Terrestrial helium consists almost exclusively (99.99986%) of this isotope. Helium-4's boiling point of 4.2 K is the second lowest of all known substances, second only to helium-3. When cooled further to 2.17 K, it transforms to a unique superfluid state of zero viscosity. It solidifies only at pressures above 25 atmospheres, where its melting point is 0.95 K.

Heavier helium isotopes

Although all heavier helium isotopes decay with a half-life of less than one second, researchers have used particle accelerator collisions to create unusual atomic nuclei for elements such as helium, lithium and nitrogen. The unusual nuclear structures of such isotopes may offer insight into the isolated properties of neutrons.

The shortest-lived isotope is helium-5 with a half-life of 7.6×10−22 seconds. Helium-6 decays by emitting a beta particle and has a half-life of 0.8 seconds. The most widely studied heavy helium isotope is helium-8. This isotope, as well as helium-6, are thought to consist of a normal helium-4 nucleus surrounded by a neutron "halo" (containing two neutrons in 6
He
and four neutrons in 8
He
). Halo nuclei have become an area of intense research. Isotopes up to helium-10, with two protons and eight neutrons, have been confirmed. 10
He
, despite being a doubly magic isotope, has a very short half-life; it is not particle-bound and near-instantaneously drips out two neutrons.

External links

• General Tables — abstracts for helium and other exotic light nuclei

References

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