Isótopos del helio

El helio ( _²He ) tiene nueve isótopos conocidos , pero solo el helio-3 ( ^³He ) y el helio-4 ( ^⁴He ) son estables . Todos los radioisótopos tienen una vida media corta; los únicos ligados a partículas son ^{el ⁶He} y ^{el ⁸He} , con vidas medias de 806,9 y 119,5 milisegundos, respectivamente.

En la atmósfera terrestre, la proporción de ³ He a ⁴ He es1,37 × 10 ⁻⁶ . ^{[ 2 ]} Sin embargo, la abundancia isotópica del helio varía mucho dependiendo de su origen, aunque el helio-4 siempre está en gran preponderancia. En la Nube Interestelar Local , la proporción de ³ He a ⁴ He es1,62(29) × 10 ⁻⁴ , ^{[ 4 ]} que es aproximadamente 120 veces mayor que en la atmósfera terrestre. Las rocas de la corteza terrestre tienen proporciones isotópicas que varían hasta en un factor de diez; esto se utiliza en geología para investigar el origen de las rocas y la composición del manto terrestre . ^{[ 5 ]} Los diferentes procesos de formación de los dos isótopos estables del helio producen las diferentes abundancias isotópicas.

Mezclas iguales de ^3He líquido y ^4He líquido a continuación0,8  K se separan en dos fases inmiscibles debido a diferencias en la estadística cuántica : ⁴ átomos de He son bosones mientras que ³ átomos de He son fermiones . ^{[ 6 ]} Los refrigeradores de dilución aprovechan la inmiscibilidad de estos dos isótopos para alcanzar temperaturas tan bajas como unos pocos milikelvin .

Una mezcla de los dos isótopos se separa espontáneamente en regiones ricas en ^3He y ricas en 4He. ^{[ 7 ] La} separación de fases también existe en sistemas de gases ultrafríos . ^{[ 8 ]} Se ha demostrado experimentalmente en un caso de gas de Fermi ultrafrío de dos componentes . ^{[ 9 ] [ 10 ]} La separación de fases puede competir con otros fenómenos como la formación de redes de vórtices o una fase exótica de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov . ^{[ 11 ]}

El helio-2, ² He, no está ligado. El único átomo ligado con un número másico de 2 es el deuterio . ^{[ 15 ] [ 16 ]} El núcleo de ² He, un diprotón , consta de dos protones sin neutrones . Su inestabilidad se debe a las interacciones espín-espín en la fuerza nuclear y al principio de exclusión de Pauli , que establece que dentro de un sistema cuántico dado, dos o más partículas idénticas con los mismos espines semienteros ( fermiones ) no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico; por lo tanto, los dos protones de ^{2 He tienen espines alineados en sentido opuesto y el propio diprotón tiene} energía de enlace negativa . ^{[ 17 ]}

Una forma rara de radiactividad es la emisión de diprotones, donde un núcleo emite dos protones en una configuración cuasiligada ¹ S ₀ , que luego se separan. ^{[ 18 ]} En 2000, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge detectó la emisión de dos protones de ¹⁸ ₁₀ Ne , producida por un haz de iones ^{de 17} ₉ F sobre un blanco rico en protones. Pero el experimento no tenía la sensibilidad para distinguir si la emisión era una desintegración por dos protones separados o por un diprotón. ^{[ 19 ] [ 20 ]} En 2008, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare confirmó que ^{18 Ne se desintegró en un diprotón con una} relación de ramificación del 31 % . ^{[ 21 ] [ 22 ]} Varios experimentos han detectado desde entonces la emisión de diprotones de otros isótopos. ^{[ 18 ]}

La ausencia de un diprotón ligado se ha utilizado para argumentar a favor del ajuste fino para el desarrollo de la vida debido a su efecto en la nucleosíntesis del Big Bang y la evolución estelar . ^{[ 23 ] [ 24 ]} Los modelos hipotéticos sugieren que si la fuerza fuerte fuera un 2% mayor, entonces los diprotones estarían ligados (pero aún así decaerían β ⁺ a deuterio ). ^{[ 25 ]} Estudios recientes han encontrado que un universo con diprotones ligados no excluye el desarrollo de estrellas y vida. ^{[ 25 ] [ 24 ] [ 16 ]}

Un impacto de un hipotético diprotón ligado es un cambio en los primeros pasos de la cadena protón-protón. En nuestro universo, el primer paso de la cadena protón-protón procede a través de la fuerza débil, ^{[ 26 ] [ 27 ]}

p + p → ² ₁ D + e ⁺+ ν_e +0,42  MeV

En el caso hipotético, en cambio podría formarse un diprotón sin la fuerza débil, ^{[ 16 ] [ 25 ]}

p + p → ² ₂ Él

El diprotón se desintegraría entonces en deuterio mediante una desintegración beta positiva :

² ₂ Él→ ² ₁ D+e ⁺+ ν_e .

Con la fórmula general,

p + p → ² ₁ D + e ⁺+ ν_e .

Bajo la influencia de las interacciones electromagnéticas , las primitivas de Jaffe-Low ^{[ 28 ]} pueden salir del corte unitario, creando resonancias estrechas de dos nucleones, como una resonancia de diprotón con una masa de 2000 MeV y un ancho de unos pocos cientos de keV. ^{[ 29 ]} Para buscar esta resonancia, se requiere un haz de protones con una energía cinética de 250 MeV y una dispersión de energía inferior a 100 keV, lo cual es factible considerando el enfriamiento electrónico del haz.

^3He es el único isótopo estable, aparte de ^1H , con más protones que neutrones. Hay muchos isótopos inestables similares, como ^7Be y ^8B . Solo hay una traza (~2 ppm) ^{[ 2 ]} de ^3He en la Tierra, presente principalmente desde la formación de la Tierra, aunque algo cae a la Tierra atrapado en polvo cósmico. ^{[ 5 ]} También se producen cantidades traza por la desintegración beta del tritio . ^{[ 30 ]} En las estrellas , sin embargo, ^{el 3He} es más abundante, producto de la fusión nuclear . El material extraplanetario, como el regolito lunar y de asteroides , tiene trazas de ^3He provenientes del bombardeo del viento solar .

Para convertirse en superfluido , ^{el 3He} debe enfriarse a 2,5 mil kelvin , ~900 veces más bajo que ^{el 4He} (2,17  K ). Esta diferencia se explica por la estadística cuántica : ³ átomos de He son fermiones , mientras que ⁴ átomos de He son bosones , que se condensan en un superfluido más fácilmente.

El isótopo más común, ^{el 4He} , se produce en la Tierra por la desintegración alfa de elementos más pesados; las partículas alfa resultantes son núcleos de 4He completamente ionizados. ^{El 4He} es un núcleo inusualmente estable debido a su doble naturaleza mágica . Se formó en enormes cantidades durante la nucleosíntesis del Big Bang .

El helio terrestre se compone casi exclusivamente (todo excepto ~2 ppm) ^{[ 2 ]} de ⁴ He. El punto de ebullición ^{del 4} He es de4,2  K es la temperatura más baja de todas las sustancias conocidas, excepto ^{el 3He} . Cuando se enfría aún más hastaA 2,17  K , se convierte en un superfluido único con viscosidad cero . Se solidifica solo a presiones superiores a 25 atmósferas, donde se funde a0,95  K.​

El helio-5 es extremadamente inestable y se desintegra en helio-4 con una vida media de 602 yoctosegundos. Se produce brevemente en la reacción de fusión favorable:

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {H} +{}^{3}\mathrm {H} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {He} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17,6\ \mathrm {MeV} }$

La reacción se ve enormemente potenciada por la existencia de una resonancia. El helio-5, que tiene un estado de espín natural de -3/2 en su estado fundamental de 0 MeV, presenta un estado de espín excitado de +3/2 a 16,84 MeV. Dado que la reacción crea núcleos de helio-5 con un nivel de energía cercano a este estado, se produce con mayor frecuencia. Este descubrimiento fue realizado por Egon Bretscher , quien investigaba la militarización de las reacciones de fusión para el Proyecto Manhattan .

La reacción DT es específicamente 100 veces más probable que la reacción DD a energías relevantes, pero sería similar sin la resonancia. La reacción ² H- ³ He se beneficia de una resonancia similar en el litio-5 , pero está suprimida por Coulomb , es decir, la carga +2 del núcleo de helio aumenta la repulsión electrostática para la fusión de núcleos. ^{[ 31 ]}

Estos son los isótopos radiactivos de larga vida del helio; el helio-6 se desintegra beta con una vida media de 806,9 milisegundos, y el helio-8 con una vida media de 119,5 milisegundos, aunque es posible y significativa la emisión de partículas adicionales para este último. Se cree que ^{el 6He} y ^{el 8He} consisten en un núcleo normal de ^{4He rodeado por un "} halo " de neutrones (de dos neutrones en ^{el 6He} y cuatro neutrones en ^{el 8He} ). Las estructuras inusuales de los núcleos de halo pueden ofrecer información sobre las propiedades aisladas de los neutrones y la física más allá del Modelo Estándar . ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Productos derivados distintos del helio

• Isótopos de litio
• Isótopos de hidrógeno