الهيليوم-4

الهيليوم-4 ( ⁴الهيليوم-3 (He ) هو نظير مستقر لعنصر الهيليوم . وهو أكثر وفرة بكثير من نظيري الهيليوم الموجودين في الطبيعة، إذ يشكل تقريبًا كل الهيليوم الموجود على الأرض . تتكون نواته من بروتونين ونيوترونين ، وهي مطابقة لجسيم ألفا .

يشكل الهيليوم-4 حوالي ربع المادة العادية في الكون من حيث الكتلة، بينما يشكل الهيدروجين الجزء الأكبر المتبقي . ورغم أن الاندماج النووي في النجوم ينتج الهيليوم-4 أيضاً، يُعتقد أن معظم الهيليوم-4 الموجود في الشمس والكون قد تشكل خلال الانفجار العظيم ، ويُعرف باسم " الهيليوم البدائي ". مع ذلك، يغيب الهيليوم-4 البدائي إلى حد كبير عن الأرض، إذ تسرب خلال مرحلة درجات الحرارة المرتفعة من تكوينها. على الأرض، ينتج معظم الهيليوم-4 الموجود طبيعياً عن تحلل ألفا للعناصر الثقيلة في قشرة الأرض، بعد أن بردت الأرض وتصلبت.

عند تبريد الهيليوم-4 السائل إلى أقل من 2.17 كلفن (-270.98 درجة مئوية) ، يتحول إلى مائع فائق ، بخصائص تختلف تمامًا عن خصائص السائل العادي. فعلى سبيل المثال، إذا وُضع الهيليوم-4 المائع الفائق في وعاء مفتوح، فسيتشكل غشاء رقيق من نوع رولين على جدران الوعاء، مما يؤدي إلى تسرب السائل. العزم المغزلي الكلي لنواة الهيليوم-4 هو عدد صحيح (صفر)، مما يجعلها بوزونًا . يُعد سلوك الميوعة الفائقة مظهرًا من مظاهر تكثيف بوز-أينشتاين ، الذي لا يحدث إلا في تجمعات البوزونات.  

يُفترض أن الهيليوم-4 الصلب عند درجة حرارة 0.2 كلفن وضغط 50 ضغط جوي قد يكون زجاجًا فائقًا ( مادة صلبة غير متبلورة تُظهر خاصية الميوعة الفائقة ). ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

ذرة الهيليوم هي ثاني أبسط ذرة (الهيدروجين هو أبسطها)، لكن الإلكترون الإضافي يُدخل "جسمًا" ثالثًا، لذا تصبح معادلتها الموجية " مسألة الأجسام الثلاثة "، والتي لا يوجد لها حل تحليلي. مع ذلك، فقد أعطت التقريبات العددية لمعادلات ميكانيكا الكم تقديرًا جيدًا للخصائص الذرية الرئيسية للهيليوم-4 ، مثل حجمه وطاقة تأينه .

من المعروف منذ زمن طويل أن حجم نواة الهيليوم ^{-4 يبلغ حوالي 1} فيمتومتر . وفي تجربة استخدمت فيها ذرات هيليوم غريبة، حيث استُبدل إلكترون ذري بميون ، قُدِّر حجم النواة (كنصف قطر الشحنة ) بـ 1.67824(83) فيمتومتر. ^{[ 6 ]}  

تتمتع نواة ذرة الهيليوم-4 بنوع من الاستقرار يُسمى " الاستقرار السحري المزدوج" . تُظهر تجارب تشتت الإلكترونات عالية الطاقة أن شحنتها تتناقص أُسّيًا من قيمة عظمى عند نقطة مركزية، تمامًا كما هو الحال مع كثافة شحنة سحابة الإلكترونات الخاصة بالهيليوم . يعكس هذا التناظر فيزياء أساسية متشابهة: يخضع زوج النيوترونات وزوج البروتونات في نواة الهيليوم لنفس قواعد ميكانيكا الكم التي يخضع لها زوج الإلكترونات (على الرغم من أن الجسيمات النووية تخضع لجهد ربط نووي مختلف)، بحيث تشغل جميع هذه الفرميونات مدارات 1s بالكامل في أزواج، ولا يمتلك أي منها زخمًا زاويًا مداريًا، ويلغي كل منها اللف المغزلي الذاتي للآخر. إضافة جسيم آخر من أي من هذه الجسيمات يتطلب زخمًا زاويًا، وسيؤدي إلى إطلاق طاقة أقل بكثير (في الواقع، لا توجد نواة تحتوي على خمسة نيوكليونات مستقرة). وبالتالي فإن هذا الترتيب مستقر للغاية من الناحية الطاقية لجميع هذه الجسيمات، وهذا الاستقرار يفسر العديد من الحقائق الحاسمة المتعلقة بالهيليوم في الطبيعة.

فعلى سبيل المثال، يتسبب استقرار وانخفاض طاقة السحابة الإلكترونية للهيليوم في خمول الهيليوم الكيميائي (وهو الأكثر تطرفًا بين جميع العناصر)، وكذلك عدم تفاعل ذرات الهيليوم مع بعضها البعض (مما ينتج عنه أدنى درجات انصهار وغليان بين جميع العناصر).

وبالمثل، فإن الاستقرار الطاقي المميز لنواة الهيليوم-4، الناتج عن تأثيرات مماثلة، يُفسر سهولة إنتاج الهيليوم-4 في التفاعلات الذرية التي تشمل انبعاث الجسيمات الثقيلة والاندماج النووي. يُنتج بعض الهيليوم-3 المستقر في تفاعلات الاندماج من الهيدروجين، ولكنه يُمثل نسبة ضئيلة جدًا مقارنةً بإنتاج الهيليوم-4 الذي يُعدّ مُفضلاً من الناحية الطاقية. يُعدّ استقرار الهيليوم-4 السبب في تحوّل الهيدروجين إلى هيليوم-4، وليس إلى ديوتيريوم (هيدروجين-2) أو هيليوم-3 أو عناصر أثقل أخرى خلال تفاعلات الاندماج في الشمس. كما أنه مسؤول جزئيًا عن كون جسيم ألفا هو النوع الأكثر شيوعًا من الجسيمات الباريونية المنبعثة من نواة الذرة؛ بعبارة أخرى، يُعدّ اضمحلال ألفا أكثر شيوعًا بكثير من اضمحلال التجمعات الذرية .

يُعدّ الاستقرار غير المعتاد لنواة الهيليوم-4 ذا أهمية بالغة في علم الكونيات. فهو يُفسّر حقيقة أنه في الدقائق الأولى التي تلت الانفجار العظيم ، عندما بردت "حساء" البروتونات والنيوترونات الحرة، التي كانت قد تشكلت بنسبة 6:1 تقريبًا، إلى درجة تسمح بتكوين الروابط النووية، كانت جميع النوى الذرية تقريبًا من نوع الهيليوم-4. إن ترابط النيوكليونات في الهيليوم-4 قويٌّ للغاية لدرجة أن إنتاجه استهلك جميع النيوترونات الحرة تقريبًا في غضون دقائق قليلة، قبل أن تتمكن من التحلل بيتا، ولم يتبقَّ سوى عدد قليل جدًا منها لتكوين ذرات أثقل (وخاصة الليثيوم والبريليوم والبورون ) . طاقة ترابط نواة الهيليوم-4 لكل نيوكليون أقوى من أيٍّ من تلك العناصر (انظر: تكوين النوى وطاقة الترابط )، وبالتالي لم تكن هناك طاقة كافية لتكوين العناصر 3 و4 و5 بعد تكوّن الهيليوم. من الناحية الطاقية، يُعد اندماج الهيليوم لتكوين العنصر التالي ذي الطاقة الأعلى لكل نيوكليون (الكربون) غير مُفضل تقريبًا. مع ذلك، ونظرًا لندرة العناصر الوسيطة، وعدم استقرار البريليوم-8 الشديد (الناتج عن اندماج نواتي هيليوم ^-4 )، تتطلب هذه العملية اصطدام ثلاث نوى هيليوم ببعضها البعض في وقت متزامن تقريبًا (انظر عملية ألفا الثلاثية ). وبالتالي، لم يكن هناك وقت كافٍ لتكوّن كميات كبيرة من الكربون في الدقائق القليلة التي تلت الانفجار العظيم، قبل أن يبرد الكون المتوسع في بداياته إلى درجة حرارة وضغط تجعلان اندماج الهيليوم لتكوين الكربون غير ممكن. وقد ترك هذا الكون المبكر بنسبة هيدروجين إلى هيليوم مشابهة جدًا لما نراه اليوم (3 أجزاء هيدروجين إلى جزء واحد هيليوم-4 من حيث الكتلة)، مع احتجاز جميع النيوترونات تقريبًا في الكون داخل الهيليوم-4.

لذا، كان لا بد من إنتاج جميع العناصر الأثقل - بما فيها تلك الضرورية للكواكب الصخرية كالأرض، وللحياة القائمة على الكربون أو غيرها - منذ الانفجار العظيم، في نجوم كانت شديدة الحرارة بما يكفي لدمج عناصر أثقل من الهيدروجين. ولا تشكل جميع العناصر الأخرى غير الهيدروجين والهيليوم اليوم سوى 2% من كتلة المادة الذرية في الكون. في المقابل، يشكل الهيليوم-4 حوالي 23% من المادة العادية في الكون - أي تقريبًا كل المادة العادية التي ليست هيدروجينًا (^¹H).

• التخليق النووي في الانفجار العظيم

• الخصائص التفاعلية للهيليوم-4 فائق الميوعة
• تور، كلاريس (2009)، "اعتماد عملية التخليق النووي s في النجوم الضخمة على ثلاثي ألفا و ¹²C (α, γ) ¹⁶عدم اليقين في معدل التفاعل، المجلة الفيزيائية الفلكية ، 702 (2): 1068-1077 ، arXiv : 0809.0291 ، Bibcode : 2009ApJ...702.1068T ، doi : 10.1088/0004-637x/702/2/1068 ، S2CID 118483505