นิวเคลียสของฮีเลี่ยม เกิดจาก

ฮีเลียม -4 (4
เขา
) เป็นไอโซโทปของธาตุฮีเลียม ยิ่งไอโซโทปของฮีเลียมที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติมีอยู่มากเท่าไหร่ซึ่งคิดเป็นประมาณ 99.99986% ของฮีเลียมบนโลก นิวเคลียสของมันคือเหมือนไปยังอนุภาคแอลฟาและประกอบด้วยสองโปรตอนและสองนิวตรอน

ทั่วไป
สัญลักษณ์	4เขา
ชื่อ	ฮีเลียม -4, เขา -4
โปรตอน	2
นิวตรอน	2
ข้อมูลนิวไคลด์
ความอุดมสมบูรณ์ทางธรรมชาติ	99.999863%
ครึ่งชีวิต	มั่นคง
มวลไอโซโทป	4.002603254 ยู
หมุน	0
พลังงานผูกพัน	28295.7 keV
ไอโซโทปของฮีเลียม ตารางนิวไคลด์ที่สมบูรณ์

การสลายตัวของธาตุหนักในเปลือกโลกเป็นแหล่งกำเนิดของฮีเลียม -4 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมากที่สุดในโลกซึ่งเกิดขึ้นหลังจากที่ดาวเคราะห์เย็นตัวลงและแข็งตัว ในขณะที่มันถูกผลิตโดยนิวเคลียร์ฟิวชั่นในดวงดาวแต่ฮีเลียม -4 ส่วนใหญ่ในดวงอาทิตย์และในจักรวาลถูกสร้างขึ้นโดยบิ๊กแบงและเรียกว่า " ฮีเลียมดึกดำบรรพ์ " อย่างไรก็ตามฮีเลียม -4 ดั้งเดิมส่วนใหญ่ไม่อยู่จากโลกโดยหลุดรอดออกมาในช่วงอุณหภูมิสูงของการก่อตัวของโลก

ฮีเลียม-4 ทำให้ขึ้นประมาณหนึ่งในสี่ของเรื่องธรรมดาในจักรวาลโดยมวลที่มีเกือบทั้งหมดส่วนที่เหลือเป็นไฮโดรเจน

เมื่อของเหลวฮีเลียม 4 ระบายความร้อนให้ต่ำกว่า 2.17 เคลวิน (-271.17 ° C) มันจะกลายเป็นsuperfluidที่มีคุณสมบัติที่มีความแตกต่างจากบรรดาของของเหลวสามัญ ตัวอย่างเช่นถ้า superfluid helium-4 ถูกเก็บไว้ในภาชนะเปิดฟิล์มบาง ๆ จะปีนขึ้นด้านข้างของเรือและล้นออกมา ในสภาพและสถานการณ์เช่นนี้เรียกว่า " ฟิล์มโรลลิน " ลักษณะการทำงานนี้แปลกเป็นผลมาจากความสัมพันธ์ Clausius-Clapeyronและไม่สามารถอธิบายได้ด้วยในปัจจุบันรูปแบบของกลศาสตร์คลาสสิกหรือโดยนิวเคลียร์หรือไฟฟ้ารุ่น - มันเท่านั้นที่สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมกลสปินรวมของนิวเคลียสของฮีเลียม -4 เป็นจำนวนเต็ม (ศูนย์) ดังนั้นจึงเป็นโบซอน (เช่นเดียวกับอะตอมที่เป็นกลางของฮีเลียม -4) ปัจจุบันพฤติกรรม superfluid เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นการแสดงออกของการควบแน่นของBose – Einsteinซึ่งเกิดขึ้นกับคอลเลกชันของโบซอนเท่านั้น

มันเป็นมหาเศรษฐีที่ 0.2 K และ 50 ATM, ฮีเลียม 4 ของแข็งอาจจะเป็นSuperglass (เป็นของแข็งอสัณฐานร่วมแสดงของไหลยวดยิ่ง ) [1] [2] [3]

ฮีเลียม -4 ยังมีอยู่บนดวงจันทร์และเช่นเดียวกับบนโลกเป็นไอโซโทปของฮีเลียมที่อุดมสมบูรณ์ที่สุด [ ต้องการอ้างอิง ]

อะตอมของฮีเลียมเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดอันดับสอง (ไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุด) แต่อิเล็กตรอนส่วนเกินแนะนำ "ร่างกาย" ตัวที่สามดังนั้นการแก้สมการของคลื่นจึงกลายเป็น " ปัญหาสามตัว " ซึ่งไม่มีวิธีการวิเคราะห์ อย่างไรก็ตามการประมาณตัวเลขของสมการของกลศาสตร์ควอนตัได้ให้ประมาณการที่ดีของคุณสมบัติที่สำคัญของอะตอมฮีเลียม-4เช่นขนาดและไอออนไนซ์พลังงาน

ขนาดของ4เขานิวเคลียสได้รับการรู้จักกันมานานที่จะอยู่ในลำดับความสำคัญของ 1  เอฟเอ็ม ในการทดลองที่เกี่ยวข้องกับการใช้อะตอมของฮีเลียมที่แปลกใหม่ซึ่งอิเล็กตรอนในอะตอมถูกแทนที่ด้วยมิวออนขนาดนิวเคลียสได้รับการประมาณ 1.67824 (83) fm [4]

นิวเคลียสของฮีเลียม 4 อะตอมเป็นเหมือนไปยังอนุภาคแอลฟา พลังงานสูงทดลองอิเล็กตรอนกระเจิงแสดงค่าใช้จ่ายในการลดการชี้แจงจากสูงสุดที่จุดกลางตรงเช่นเดียวกับค่าความหนาแน่นของก๊าซฮีเลียมของตัวเองเมฆอิเล็กตรอนสมมาตรนี้สะท้อนให้เห็นถึงฟิสิกส์พื้นฐานที่คล้ายคลึงกัน: คู่ของนิวตรอนและโปรตอนคู่ในนิวเคลียสของฮีเลียมเป็นไปตามกฎทางกลควอนตัมเช่นเดียวกับอิเล็กตรอนคู่ของฮีเลียม (แม้ว่าอนุภาคนิวเคลียร์จะมีศักยภาพในการยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ที่แตกต่างกัน) ดังนั้นสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดเฟอร์มิออนครอบครอง1sออร์บิทัลเป็นคู่อย่างสมบูรณ์ไม่มีออร์บิทัลใดที่มีโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรและแต่ละอันจะยกเลิกการหมุนภายในของอีกฝ่าย การเพิ่มอนุภาคอื่น ๆ เหล่านี้จะต้องใช้โมเมนตัมเชิงมุมและจะปล่อยพลังงานน้อยลงอย่างมาก (ในความเป็นจริงไม่มีนิวเคลียสที่มีห้านิวคลีออนที่เสถียร) การจัดเรียงนี้จึงมีความเสถียรอย่างมากสำหรับอนุภาคเหล่านี้ทั้งหมดและความเสถียรนี้อธิบายถึงข้อเท็จจริงที่สำคัญหลายประการเกี่ยวกับฮีเลียมในธรรมชาติ

ตัวอย่างเช่นความเสถียรและพลังงานต่ำของเมฆอิเล็กตรอนของฮีเลียมทำให้เกิดความเฉื่อยทางเคมีของฮีเลียม (มากที่สุดในบรรดาองค์ประกอบทั้งหมด) และการขาดปฏิสัมพันธ์ของอะตอมของฮีเลียมซึ่งกันและกัน (ทำให้เกิดจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำที่สุดของทั้งหมด องค์ประกอบ)

ในทำนองเดียวกันความเสถียรเชิงพลังโดยเฉพาะของนิวเคลียสของฮีเลียม -4 ซึ่งเกิดจากผลกระทบที่คล้ายคลึงกันแสดงให้เห็นถึงความสะดวกในการผลิตฮีเลียม -4 ในปฏิกิริยาอะตอมที่เกี่ยวข้องกับทั้งการปล่อยอนุภาคหนักและการหลอมรวม ฮีเลียม -3 ที่เสถียรบางชนิดเกิดขึ้นในปฏิกิริยาฟิวชันจากไฮโดรเจน แต่เป็นเศษส่วนที่เล็กมากเมื่อเทียบกับการผลิตฮีเลียม -4 ที่เป็นประโยชน์อย่างมาก ความเสถียรของฮีเลียม -4 เป็นสาเหตุที่ไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นฮีเลียม -4 ไม่ใช่ดิวทีเรียม (ไฮโดรเจน -2) หรือฮีเลียม -3 หรือธาตุอื่น ๆ ที่หนักกว่าในระหว่างปฏิกิริยาฟิวชันในดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ยังมีส่วนรับผิดชอบในการที่อนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นอนุภาคไบโอนิกที่พบมากที่สุดที่จะถูกขับออกจากนิวเคลียสของอะตอม ในคำอื่น ๆผุอัลฟาอยู่ไกลกันมากขึ้นกว่าการสลายตัวของคลัสเตอร์

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนของไอโซโทปทั่วไป พลังงานยึดเหนี่ยวต่ออนุภาคของฮีเลียม -4 มีขนาดใหญ่กว่านิวไคลด์ที่อยู่ใกล้เคียงอย่างมีนัยสำคัญ

ความเสถียรที่ผิดปกติของนิวเคลียสของฮีเลียม -4 ก็มีความสำคัญเช่นกัน มันอธิบายถึงความจริงที่ว่าในช่วงไม่กี่นาทีแรกหลังบิ๊กแบงเนื่องจาก "ซุป" ของโปรตอนและนิวตรอนอิสระซึ่งถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในอัตราส่วน 6: 1 ซึ่งเย็นลงจนถึงจุดที่สามารถจับนิวเคลียร์ได้เกือบทั้งหมด นิวเคลียสของอะตอมเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม -4 ผูกพันของนิวคลีออในฮีเลียมที่ 4 เพื่อให้แน่นที่การผลิตการบริโภคเกือบทั้งหมดนิวตรอนฟรีในไม่กี่นาทีก่อนที่พวกเขาจะทำได้เบต้าสลายและทิ้งน้อยมากที่จะสร้างอะตอมหนัก (โดยเฉพาะลิเธียม , เบริลเลียมและโบรอน ) พลังงานของฮีเลียม 4 นิวเคลียร์ที่มีผลผูกพันต่อ nucleon จะแข็งแกร่งกว่าในใด ๆ ขององค์ประกอบเหล่านั้น (ดูnucleogenesisและพลังงานที่มีผลผูกพัน ) และทำให้ไม่มีพลัง "ไดรฟ์" ที่มีอยู่เพื่อให้องค์ประกอบ 3, 4, 5 และครั้งเดียวฮีเลียมได้รับการจัดตั้งขึ้น แทบจะไม่เอื้ออำนวยต่อการหลอมรวมฮีเลียมเป็นองค์ประกอบถัดไปด้วยพลังงานต่อนิวคลีออน (คาร์บอน) ที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตามเนื่องจากความหายากขององค์ประกอบระดับกลางและความไม่เสถียรอย่างยิ่งของเบริลเลียม -8 (ผลิตภัณฑ์เมื่อฟิวส์4 He นิวเคลียสสองตัว) กระบวนการนี้ต้องการนิวเคลียสของฮีเลียมสามอันที่กระทบกันเกือบจะพร้อมกัน (ดูกระบวนการอัลฟาสามเท่า ) ดังนั้นจึงไม่มีเวลาที่จะก่อตัวของคาร์บอนที่มีนัยสำคัญในไม่กี่นาทีหลังจากบิ๊กแบงก่อนที่เอกภพที่ขยายตัวในช่วงต้นจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิและความดันซึ่งฮีเลียมฟิวชันเป็นคาร์บอนไม่สามารถทำได้อีกต่อไป สิ่งนี้ทำให้เอกภพในยุคแรกมีอัตราส่วนไฮโดรเจน - ฮีเลียมใกล้เคียงกันมากดังที่สังเกตเห็นในปัจจุบัน (ไฮโดรเจน 3 ส่วนต่อฮีเลียม 1 ส่วน -4 โดยมวล) โดยมีนิวตรอนเกือบทั้งหมดในเอกภพติดอยู่ในฮีเลียม -4

องค์ประกอบที่หนักกว่าทั้งหมดรวมถึงสิ่งที่จำเป็นสำหรับดาวเคราะห์หินเช่นโลกและสำหรับสิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอนหรือสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ดังนั้นจึงต้องมีการผลิตตั้งแต่บิ๊กแบงในดาวที่ร้อนพอที่จะหลอมรวมธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนได้ ปัจจุบันองค์ประกอบทั้งหมดนอกเหนือจากไฮโดรเจนและฮีเลียมมีสัดส่วนเพียง 2% ของมวลอะตอมในเอกภพ ในทางตรงกันข้ามฮีเลียม -4 ประกอบขึ้นเป็นประมาณ 23% ของสสารธรรมดาของเอกภพซึ่งเกือบทั้งหมดเป็นสสารธรรมดาที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน ( 1 H)

• ฮีเลียม Superfluid-4

• คุณสมบัติเชิงโต้ตอบของ Superfluid Helium-4
• Tur, Clarisse (2009), "การขึ้นอยู่กับกระบวนการของ NUCLEOSYNTHESIS ในดวงดาวขนาดใหญ่บน TRIPLE-ALPHA และ 12
  ค
  (α, γ)16
  โอ
  ความไม่แน่นอนของปฏิกิริยา ", The Astrophysical Journal , 702 , arXiv : 0809.0291 , Bibcode : 2009ApJ ... 702.1068T , doi : 10.1088 / 0004-637x / 702/2/1068