نظائر الهيليوم

للهيليوم ( _2He ) تسعة نظائر معروفة ، لكن الهيليوم-3 ( ^3He ) والهيليوم-4 ( ^4He ) فقط هما النظائر المستقرة . جميع النظائر المشعة قصيرة العمر؛ والنظائر الوحيدة المرتبطة بالجسيمات هي ^6He و ⁸ He بنصف عمر يبلغ 806.9 و119.5 مللي ثانية على التوالي.

في الغلاف الجوي للأرض، تبلغ نسبة الهيليوم ^-3 إلى الهيليوم ^-41.37 × 10⁻⁶ . ^{[ 2 ]} ومع ذلك، يختلف وفرة نظائر الهيليوم اختلافًا كبيرًا تبعًا لأصله، على الرغم من أن الهيليوم-4 هو دائمًا الأكثر وفرة. في ^{السحابة} النجمية المحلية ، تبلغ نسبة ^3He إلى ^4He1.62(29) × 10⁻⁴ ، ^{[ 4 ]} وهو أعلى بنحو 120 مرة من تركيزه في الغلاف الجوي للأرض. تتفاوت نسب النظائر في صخور قشرة الأرض بما يصل إلى عشرة أضعاف؛ ويُستخدم هذا في ^علم الجيولوجيا لدراسة أصل الصخور وتكوين وشاح الأرض . ^{[ 5 ]} تُنتج عمليات التكوين المختلفة لنظيري الهيليوم المستقرين هذا التفاوت في وفرة النظائر.

مخاليط متساوية من الهيليوم السائل ³ والهيليوم السائل ⁴ أدناهينفصل نظير 0.8  كلفن إلى طورين غير قابلين للامتزاج بسبب الاختلافات في الإحصاء الكمي : ذرات الهيليوم ^{-4 هي} بوزونات بينما ذرات الهيليوم ^{-3 هي} فرميونات . ^{[ 6 ]} تستغل مبردات التخفيف عدم امتزاج هذين النظيرين للوصول إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى بضعة ميلي كلفن .

ينفصل مزيج النظيرين تلقائيًا إلى منطقتين غنيتين بالهيليوم ^-3 وغنيتين بالهيليوم ^{-4 . [ 7 ]} كما يوجد انفصال طوري في أنظمة الغازات فائقة البرودة . ^{[ 8 ]} وقد تم إثبات ذلك تجريبيًا في حالة غاز فيرمي فائق البرودة ثنائي المكونات . ^{[ 9 ] [ 10 ]} ويمكن أن يتنافس الانفصال الطوري مع ظواهر أخرى مثل تكوين شبكة الدوامات أو طور فولدي-فيريل-لاركين-أوفشينيكوف الغريب . ^{[ 11 ]}

الهيليوم-2، ^2He ، ذرة غير مرتبطة. الذرة الوحيدة المرتبطة ذات العدد الكتلي 2 هي الديوتيريوم . ^{[ 15 ] [ 16 ]} تتكون نواة ^2He ، وهي بروتون ثنائي ، من بروتونين فقط دون نيوترونات . يعود عدم استقرارها إلى تفاعلات اللف المغزلي في القوة النووية ومبدأ استبعاد باولي ، الذي ينص على أنه ضمن نظام كمي معين، لا يمكن لجسيمين أو أكثر متطابقين لهما نفس اللف المغزلي نصف الصحيح ( فيرميونات ) أن يشغلا نفس الحالة الكمية في آن واحد؛ لذا فإن بروتوني ^2He لهما لف مغزلي متعاكس، وللبروتون الثنائي نفسه طاقة ربط سالبة . ^{[ 17 ]}

يُعدّ انبعاث البروتون الثنائي شكلاً نادراً من أشكال النشاط الإشعاعي، حيث تُصدر النواة بروتونين في تكوين شبه مرتبط ^1S0 ، ثم ينفصلان. ^{[ 18 ]} في عام 2000، رصد مختبر أوك ريدج الوطني انبعاث بروتونين من النيون ^-18 _{(18Ne )} ، الناتج عن شعاع أيوني من الفلور -17 ⁽ _17F ) مُسلط على هدف غني بالبروتونات. إلا أن التجربة لم تكن تتمتع بالحساسية الكافية للتمييز بين ما إذا كان الانبعاث ناتجاً عن تحلل بروتونين منفصلين، أو عن بروتون ثنائي. ^{[ 19 ] [ 20 ]} في عام 2008، أكد المعهد الوطني للفيزياء النووية أن النيون ^-18 يتحلل إلى بروتون ثنائي بنسبة تفرع 31% . ^{[ 21 ] [ 22 ]} ومنذ ذلك الحين، رصدت العديد من التجارب انبعاث بروتون ثنائي من نظائر أخرى. ^{[ 18 ]}

استُخدم غياب البروتون الثنائي المرتبط كحجةٍ لضبط عملية تطور الحياة بدقة، نظرًا لتأثيره على التخليق النووي في الانفجار العظيم وتطور النجوم . ^{[ 23 ] [ 24 ]} تشير نماذج افتراضية إلى أنه لو كانت القوة النووية القوية أكبر بنسبة 2%، لكانت البروتونات الثنائية مرتبطة (لكنها ستظل تتحلل ^إلى ديوتيريوم عبر جسيمات بيتا الموجبة ). ^{[ 25 ]} وقد وجدت دراسات حديثة أن وجود بروتونات ثنائية مرتبطة في الكون لا يمنع نشأة النجوم والحياة. ^{[ 25 ] [ 24 ] [ 16 ]}

يتمثل أحد آثار وجود بروتون ثنائي مرتبط افتراضياً في تغيير الخطوات الأولى لسلسلة تفاعلات البروتون-بروتون. في كوننا، تتم الخطوة الأولى من سلسلة تفاعلات البروتون-بروتون عبر القوة الضعيفة، ^{[ 26 ] [ 27 ]}

p + p → ² ₁ D + e ⁺+ ν_هـ +0.42  ميغا إلكترون فولت

في الحالة الافتراضية، يمكن أن يتشكل بروتون ثنائي بدون القوة الضعيفة، ^{[ 16 ] [ 25 ]}

p + p → ² ₂ He

ثم يتحلل البروتون الثنائي إلى ديوتيريوم عبر جسيمات بيتا موجبة :

² ₂ He→ ² ₁ D+e ⁺+ ν_هـ .

وفقًا للصيغة العامة،

p + p → ² ₁ D + e ⁺+ ν_هـ .

تحت تأثير التفاعلات الكهرومغناطيسية ، قد تخرج عناصر جافي-لو الأولية ^{[ 28 ]} عن القطع الأحادي، مما يُنشئ رنينات ضيقة ثنائية النيوكليون، مثل رنين ثنائي البروتون بكتلة 2000 ميغا إلكترون فولت وعرض بضع مئات من الكيلو إلكترون فولت. ^{[ 29 ]} للبحث عن هذا الرنين، يلزم وجود حزمة من البروتونات بطاقة حركية 250 ميغا إلكترون فولت وانتشار طاقة أقل من 100 كيلو إلكترون فولت، وهو أمر ممكن بالنظر إلى تبريد الحزمة بالإلكترونات.

^{يُعدّ الهيليوم -3} النظير المستقر الوحيد، إلى جانب الهيدروجين ^-1، الذي يحتوي على عدد بروتونات يفوق عدد نيوتروناته. وهناك العديد من النظائر غير المستقرة المشابهة، مثل البريليوم ^-7 والبورون ^-8 . يوجد الهيليوم ^-3 على الأرض بكميات ضئيلة جدًا (حوالي 2 جزء في المليون) ^{[ 2 ]} ، وهو موجود بشكل رئيسي منذ تكوين الأرض، على الرغم من أن بعضه يسقط عليها محتجزًا في الغبار الكوني. ^{[ 5 ]} كما تُنتج كميات ضئيلة منه أيضًا عن طريق تحلل بيتا للتريتيوم . ^{[ 30 ]} أما في النجوم ، فيُعدّ الهيليوم ^-3 أكثر وفرة، وهو نتاج الاندماج النووي . وتحتوي المواد خارج الكوكبية، مثل تربة القمر والكويكبات ، على آثار من الهيليوم ^-3 ناتجة عن قصف الرياح الشمسية .

لكي يصبح الهيليوم ^-3 سائلاً فائق الميوعة ، يجب تبريده إلى 2.5 ملي كلفن ، أي أقل بحوالي 900 مرة من الهيليوم ^-4 (2.17  كلفن ). يُفسر هذا الاختلاف بواسطة الإحصاء الكمي : ذرات الهيليوم ^{-3 هي} فرميونات ، بينما ذرات الهيليوم ^{-4 هي} بوزونات ، والتي تتكثف إلى مائع فائق بسهولة أكبر.

يُنتج نظير الهيليوم ^-4 الأكثر شيوعًا على الأرض من خلال تحلل ألفا للعناصر الأثقل؛ وتكون جسيمات ألفا الناتجة عبارة عن نوى هيليوم ^{-4 متأينة بالكامل. يتميز الهيليوم -4} بنواة مستقرة بشكل استثنائي نظرًا لكونه ذا طاقة سحرية مزدوجة . وقد تشكل بكميات هائلة خلال عملية التخليق النووي في الانفجار العظيم .

يتكون الهيليوم الأرضي بشكل شبه حصري (باستثناء حوالي 2 جزء في المليون) ^{[ 2 ]} من نظير الهيليوم ^-4 . درجة غليان نظير الهيليوم ^-4 هي4.2  كلفن هي أدنى درجة حرارة لجميع المواد المعروفة باستثناء الهيليوم ^-3 . عند تبريدها أكثر إلىعند درجة حرارة 2.17  كلفن ، يصبح سائلاً فائق الميوعة فريداً من نوعه ذو لزوجة معدومة . ويتجمد فقط عند ضغوط أعلى من 25 ضغطاً جوياً، حيث ينصهر عند درجة حرارة 2.17 كلفن.0.95  ألف​

الهيليوم-5 غير مستقر للغاية، ويتحلل إلى الهيليوم-4 بنصف عمر يبلغ 602 يكتو ثانية. ويتم إنتاجه لفترة وجيزة في تفاعل الاندماج المواتي التالي:

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {H} +{}^{3}\mathrm {H} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {He} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17.6\ \mathrm {MeV} }$

يتسارع التفاعل بشكل كبير بفضل وجود الرنين. يمتلك الهيليوم-5، الذي يتميز بحالة دوران طبيعية -3/2 عند طاقة 0 ميغا إلكترون فولت، حالة دوران مثارة +3/2 عند طاقة 16.84 ميغا إلكترون فولت. ولأن التفاعل يُنتج نوى هيليوم-5 بمستوى طاقة قريب من هذه الحالة، فإنه يحدث بوتيرة أعلى. وقد اكتشف ذلك إيغون بريتشر ، الذي كان يُجري أبحاثًا حول تسليح تفاعلات الاندماج النووي ضمن مشروع مانهاتن .

يُعد تفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم (DT) تحديدًا أكثر احتمالًا بمئة ضعف من تفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم (DD) عند الطاقات ذات الصلة، ولكنه سيكون مشابهًا له حتى بدون الرنين. يستفيد تفاعل الهيدروجين -الهيليوم ^{-3 من} رنين مماثل في الليثيوم-5 ، ولكنه مُثبَّط بفعل تأثير كولوم ، أي أن شحنة نواة الهيليوم +2 تزيد من التنافر الكهروستاتيكي للنوى المندمجة. ^{[ 31 ]}

هذه هي النظائر المشعة طويلة العمر للهيليوم؛ يتحلل الهيليوم-6 بيتا بنصف عمر يبلغ 806.9 مللي ثانية، والهيليوم-8 بنصف عمر يبلغ 119.5 مللي ثانية، مع إمكانية انبعاث جسيمات إضافية ذات أهمية في الحالة الأخيرة. يُعتقد أن الهيليوم ^-6 والهيليوم ^{-8 يتكونان من نواة} هيليوم ^-4 عادية محاطة بهالة نيوترونية (تتكون من نيوترونين في ^{الهيليوم-6} وأربعة نيوترونات في الهيليوم ^-8 ). قد تُسهم البنى غير المألوفة لنوى الهالة في فهم خصائص النيوترونات المعزولة والفيزياء التي تتجاوز النموذج القياسي . ^{[ 32 ] [ 33 ]}

منتجات ثانوية أخرى غير الهيليوم

• نظائر الليثيوم
• نظائر الهيدروجين