ฮีเลียม-4

ทั่วไป
เครื่องหมาย	4เขา
ชื่อ	ฮีเลียม-4
โปรตอน( Z )	2
นิวตรอน( N )	2
ข้อมูลนิวไคลด์
ความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ	99.999863% (บรรยากาศ) [ 1 ]
ครึ่งชีวิต( t 1/2 )	มั่นคง
มวลไอโซโทป	4.002603254 [ 2 ] Da
สปิน	0
พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียร์	28295.7 keV
ไอโซโทปของฮีเลียมตารางนิวไคลด์ทั้งหมด

ฮีเลียม-4 (⁴¹⁵H₂ (He ) เป็นไอโซโทปเสถียรของธาตุฮีเลียมเป็นไอโซโทปที่พบมากที่สุดในบรรดาไอโซโทปของฮีเลียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยประกอบขึ้นเป็นฮีเลียมเกือบทั้งหมดบนโลกนิวเคลียสของมันประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว และมีลักษณะเหมือนกับอนุภาคอัลฟา

ฮีเลียม-4 ประกอบขึ้นเป็นประมาณหนึ่งในสี่ของสสารปกติในจักรวาลโดยมวล โดยส่วนที่เหลือเกือบทั้งหมดเป็นไฮโดรเจนแม้ว่าปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์ในดาวฤกษ์จะผลิตฮีเลียม-4 เช่นกัน แต่ฮีเลียม-4 ส่วนใหญ่ในดวงอาทิตย์และในจักรวาลนั้นเชื่อกันว่าเกิดขึ้นในช่วงบิ๊กแบงซึ่งรู้จักกันในชื่อ " ฮีเลียม ดั้งเดิม " อย่างไรก็ตาม ฮีเลียม-4 ดั้งเดิมนั้นแทบจะไม่มีอยู่บนโลก เนื่องจากได้หายไปในช่วงอุณหภูมิสูงของการก่อตัวของโลก บนโลก ฮีเลียม-4 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติส่วนใหญ่เกิดจากการสลายตัวแบบอัลฟาของธาตุหนักในเปลือกโลก หลังจากที่โลกเย็นตัวลงและแข็งตัวแล้ว

เมื่อฮีเลียม-4 เหลวถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่า 2.17  K (−270.98 °C) มันจะกลายเป็นของไหลยิ่งยวดซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างจากของเหลวธรรมดามาก ตัวอย่างเช่น หาก วาง ฮีเลียม-4 ยิ่งยวดไว้ในภาชนะเปิดฟิล์มโรลลิน บางๆ จะไต่ขึ้นไปตามด้านข้างของภาชนะ ทำให้ของเหลวไหลออกมา สปินรวมของนิวเคลียสฮีเลียม-4 เป็นจำนวนเต็ม (ศูนย์) ทำให้มันเป็นโบซอนพฤติกรรมของไหลยิ่งยวดเป็นการแสดงออกของการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในกลุ่มของโบซอนเท่านั้น

มีทฤษฎีว่าที่อุณหภูมิ 0.2 K และความดัน 50 atm ฮีเลียม-4 แข็งอาจเป็นซูเปอร์กลาส ( ของแข็งอสัณฐานที่แสดงคุณสมบัติสภาพของไหล ยิ่งยวด ) ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

อะตอมฮีเลียมเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดเป็นอันดับสอง (ไฮโดรเจนง่ายที่สุด) แต่การมีอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาทำให้เกิด "ตัว" ที่สาม ดังนั้นสมการคลื่น ของมัน จึงกลายเป็น " ปัญหาของสามตัว " ซึ่งไม่มีคำตอบเชิงวิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม การประมาณค่าเชิงตัวเลขของสมการกลศาสตร์ควอนตัมได้ให้ค่าประมาณที่ดีของคุณสมบัติทางอะตอมที่สำคัญของฮีเลียม-4เช่น ขนาดและพลังงานไอออนไนเซชัน

ขนาดของ นิวเคลียส ^4Heเป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่ามีขนาดประมาณ 1  fmในการทดลองที่เกี่ยวข้องกับการใช้อะตอมฮีเลียมแปลกใหม่ซึ่งอิเล็กตรอนอะตอมถูกแทนที่ด้วยมิวออนขนาดของนิวเคลียส (ในรูปของรัศมีประจุ ) ได้รับการประมาณไว้ที่ 1.67824(83) fm ^{[ 6 ]}

นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม-4 มีเสถียรภาพชนิดหนึ่งที่เรียกว่า"เวทมนตร์คู่ " การทดลองการกระเจิงของอิเล็กตรอนพลังงานสูงแสดงให้เห็นว่าประจุของมันลดลงแบบเอกซ์โปเนนเชียลจากค่าสูงสุดที่จุดศูนย์กลาง เช่นเดียวกับความหนาแน่นของประจุของกลุ่มอิเล็กตรอน ของฮีเลียมเอง ความสมมาตรนี้สะท้อนให้เห็นถึงฟิสิกส์พื้นฐานที่คล้ายคลึงกัน: คู่ของนิวตรอนและคู่ของโปรตอนในนิวเคลียสของฮีเลียมปฏิบัติตามกฎกลศาสตร์ควอนตัมเดียวกันกับคู่ของอิเล็กตรอนของฮีเลียม (แม้ว่าอนุภาคนิวเคลียร์จะอยู่ภายใต้ศักยภาพการยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ที่แตกต่างกัน) ดังนั้นเฟอร์มิออน เหล่านี้ จึงครอบครอง วงโคจร 1s อย่างสมบูรณ์ เป็นคู่ๆ โดยไม่มีอนุภาคใดมีโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร และแต่ละอนุภาคจะหักล้างสปินภายในของอีกอนุภาคหนึ่ง การเพิ่มอนุภาคใดๆ เหล่านี้จะต้องการโมเมนตัมเชิงมุม และจะปลดปล่อยพลังงานน้อยลงอย่างมาก (อันที่จริง ไม่มีนิวเคลียสใดที่มีนิวคลีออนห้าตัวที่เสถียร) ดังนั้น การจัดเรียงนี้จึงมีความเสถียรทางพลังงานสูงมากสำหรับอนุภาคทั้งหมดเหล่านี้ และความเสถียรนี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดข้อเท็จจริงที่สำคัญหลายประการเกี่ยวกับฮีเลียมในธรรมชาติ

ตัวอย่างเช่น ความเสถียรและพลังงานต่ำของกลุ่มอิเล็กตรอนในฮีเลียมทำให้ฮีเลียมมีความเฉื่อยทางเคมี (ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่แย่ที่สุดในบรรดาธาตุทั้งหมด) และยังทำให้ไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมของฮีเลียม (ส่งผลให้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำที่สุดในบรรดาธาตุทั้งหมด)

ในทำนองเดียวกัน ความเสถียรทางพลังงานเฉพาะของนิวเคลียสฮีเลียม-4 ซึ่งเกิดจากผลกระทบที่คล้ายคลึงกัน อธิบายถึงความง่ายในการผลิตฮีเลียม-4 ในปฏิกิริยาอะตอมที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยอนุภาคหนักและการหลอมรวมนิวเคลียร์ ฮีเลียม-3 ที่เสถียรบางส่วนถูกผลิตขึ้นในปฏิกิริยาหลอมรวมนิวเคลียร์จากไฮโดรเจน แต่เป็นเศษส่วนที่น้อยมากเมื่อเทียบกับการผลิตฮีเลียม-4 ที่มีพลังงานสูงกว่ามาก ความเสถียรของฮีเลียม-4 เป็นเหตุผลที่ไฮโดรเจนถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม-4 ไม่ใช่ดิวเทอเรียม (ไฮโดรเจน-2) หรือฮีเลียม-3 หรือธาตุหนักอื่นๆ ในระหว่างปฏิกิริยาหลอมรวมนิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดอนุภาคอัลฟาซึ่งเป็นอนุภาคแบริโอนิกชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดที่ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอม กล่าวอีกนัยหนึ่ง การ สลาย ตัว แบบอัลฟาพบได้บ่อยกว่าการสลายตัวแบบคลัสเตอร์ มาก

ความเสถียรที่ผิดปกติของนิวเคลียสฮีเลียม-4 มีความสำคัญในทางจักรวาลวิทยาเช่นกัน มันอธิบายข้อเท็จจริงที่ว่า ในช่วงไม่กี่นาทีแรกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang ) เมื่อ "ซุป" ของโปรตอนและนิวตรอนอิสระซึ่งถูกสร้างขึ้นในอัตราส่วนประมาณ 6:1 ในตอนแรกเย็นตัวลงจนถึงจุดที่สามารถเกิดการยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสได้ นิวเคลียสอะตอมเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นจึงเป็นนิวเคลียสฮีเลียม-4 การยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนในฮีเลียม-4 นั้นแน่นมากจนการสร้างมันใช้เกือบทั้งหมดของนิวตรอนอิสระภายในไม่กี่นาที ก่อนที่พวกมันจะสลายตัวแบบเบตา และเหลือนิวตรอนเพียงเล็กน้อยเพื่อสร้างอะตอมที่หนักกว่า (โดยเฉพาะลิเธียมเบริลเลียมและโบรอน)พลังงานของการยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสฮีเลียม-4 ต่อหนึ่งนิวคลีออนนั้นแข็งแกร่งกว่าในธาตุเหล่านั้น (ดูการเกิดนิวเคลียสและพลังงานการยึดเหนี่ยว ) ดังนั้นจึงไม่มี "แรงขับ" ทางพลังงานที่จะสร้างธาตุ 3, 4 และ 5 ได้เมื่อฮีเลียมเกิดขึ้นแล้ว ปฏิกิริยา ฟิวชั่นของฮีเลียมไปเป็นธาตุถัดไปที่มีพลังงานต่อหนึ่งนิวคลีออน สูงกว่า (คาร์บอน) นั้นแทบจะไม่เกิดขึ้นได้ในเชิงพลังงาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากธาตุตัวกลางนั้นหายาก และเบริลเลียม-8 (ซึ่งเป็นผลผลิตจาก การรวมตัวของนิวเคลียส ^4He สอง ตัว) มีความไม่เสถียรอย่างมาก กระบวนการนี้จึงต้องการนิวเคลียสของฮีเลียมสามตัวที่ชนกันเกือบพร้อมกัน (ดูกระบวนการทริปเปิลอัลฟา ) ดังนั้นจึงไม่มีเวลาเพียงพอที่จะเกิดคาร์บอนในปริมาณมากในไม่กี่นาทีหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ ก่อนที่เอกภพที่กำลังขยายตัวในช่วงแรกจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิและความดันที่ปฏิกิริยาฟิวชั่นของฮีเลียมไปเป็นคาร์บอนไม่สามารถเกิดขึ้นได้อีกต่อไป ทำให้เอกภพในช่วงแรกมีอัตราส่วนไฮโดรเจนต่อฮีเลียมที่คล้ายคลึงกับที่สังเกตได้ในปัจจุบัน (ไฮโดรเจน 3 ส่วนต่อฮีเลียม-4 1 ส่วนโดยมวล) โดยที่นิวตรอนเกือบทั้งหมดในเอกภพถูกกักอยู่ในฮีเลียม-4

ธาตุหนักทั้งหมด—รวมถึงธาตุที่จำเป็นสำหรับดาวเคราะห์หินเช่นโลก และสำหรับสิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหรือสิ่งมีชีวิตอื่นๆ—จึงต้องถูกสร้างขึ้นตั้งแต่บิ๊กแบงในดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิสูงพอที่จะหลอมรวมธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนได้ ปัจจุบันธาตุอื่นๆ นอกเหนือจากไฮโดรเจนและฮีเลียมมีสัดส่วนเพียง 2% ของมวลของสสารอะตอมในจักรวาล ในทางตรงกันข้าม ฮีเลียม-4 ประกอบขึ้นเป็นประมาณ 23% ของสสารธรรมดาในจักรวาล—เกือบทั้งหมดของสสารธรรมดาที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน ( ^1H )

• การสังเคราะห์นิวเคลียสของบิ๊กแบง

• คุณสมบัติเชิงโต้ตอบของฮีเลียม-4 ซูเปอร์ฟลูอิด
• Tur, Clarisse (2009), "การพึ่งพาของกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียส s ในดาวฤกษ์มวลมากต่อทริปเปิลอัลฟาและ¹²C (α, γ)¹⁶ความ ไม่แน่นอนของอัตราการเกิดปฏิกิริยา", The Astrophysical Journal , 702 (2): 1068– 1077, arXiv : 0809.0291 , Bibcode : 2009ApJ...702.1068T , doi : 10.1088/0004-637x/702/2/1068 , S2CID  118483505