A hélium izotópjai

Bár a héliumnak (He, standard atomtömeg: 4,002602(2) u) nyolc ismert izotópja van, ezek közül csak a hélium-3 és a hélium-4 stabil. A Föld légkörében egymillió ⁴He atomra jut egy atom ³He.^[1] A hélium izotóp-összetétele ugyanakkor – az általánostól eltérően – nagyban függ a származási helytől. A csillagközi térben a ³He részaránya mintegy százszorosa a fent említettnek.^[2] A földkéreg kőzeteiben izotóp-összetétele akár tízszeres eltérést is mutathat – a geológiában ezt felhasználják a kőzetek eredetének és a földköpeny összetételének vizsgálatára.^[3]

A leggyakoribb izotóp, a ⁴He a Földön a nehéz radioaktív elemek alfa-bomlásakor keletkezik – az alfa-részecskék ugyanis kétszeresen ionizált ⁴He atomok. A ⁴He atommagja kivételesen stabil, mivel benne a nukleonok lezárt héjakat alkotnak. Az ősrobbanáskori nukleoszintézis során is hatalmas mennyiségben jött létre. A hélium két stabil izotópjának eltérő gyakoriságát a különböző keletkezési mód okozza.

0,8 K alatt a ³He-at és ⁴He-et egyenlő arányban tartalmazó folyadék a két izotóp különbözősége miatt két, egymással nem elegyedő fázisra válik szét (a két izotópra különböző kvantumstatisztika vonatkozik: a ⁴He bozon, míg a ³He fermion).^[4] A hígításos hűtés során felhasználják, hogy a két izotóp nem elegyedik egymással, így néhány millikelvin hőmérséklet érhető el. A Földön a ³He csak nyomokban fordul elő, ennek nagy része a Föld keletkezése óta jelen van, bár kisebb mennyiség a kozmikus porban kötve is hull a Földre.^[3] Nyomnyi mennyiség keletkezik a trícium béta-bomlása során is.^[5] A csillagokban több ³He található, ez a magfúzió során keletkezik. A bolygóközi anyag, például a holdi és aszteroida regolitok nyomokban tartalmaznak ³He-at, mely a napszéllel kerül beléjük.

Egzotikus héliumizotópok

Az egzotikus héliumizotópok atomtömege a természetes héliuménál nagyobb. Bár mindegyik egzotikus héliumizotóp egy másodpercnél rövidebb felezési idővel bomlik, a kutatók részecskegyorsítós ütközésekben előállították a kis rendszámú elemek, mint pl. a hélium, lítium és nitrogén szokatlan atommagjait. Ezen izotópok furcsa atommagszerkezete bepillantást adhat a neutronok izolált tulajdonságaiba.

A legrövidebb életű izotóp a hélium-5: felezési ideje 7,6·10^‒22 másodperc. A hélium-6 béta-bomló, 0,8 másodperces felezési idővel. A hélium-7 is béta-részecskét bocsát ki, de emellett gamma-sugárzó is. A legalaposabban vizsgált egzotikus héliumizotóp a hélium-8. Úgy gondolják, hogy ez az izotóp - a hélium-6-hoz hasonlóan - egy hélium-4 magból és az azt körülvevő neutron „haló”-ból áll (a ⁶He esetén ezt két, a ⁸He-nél négy neutron alkotja). A hélium-7 és hélium-8 egyes magreakciók során is keletkezhet mint magtöredék.^[6] A hélium izotópjainak létezését hélium-10-ig megerősítették.

Hélium-2 (diproton)

A hélium-2 a hélium hipotetikus izotópja, amely elméleti számítások szerint létezne, ha az erős kölcsönhatás 2%-kal erősebb volna.

Táblázat

nuklid jele	Z(p)	N(n)	izotóp tömege (u)	felezési idő	magspin	jellemző izotóp- összetétel (móltört)	természetes ingadozás (móltört)
	megjegyzés
3He	2	1	3,0160293191(26)	STABIL	1/2+	0,00000134(3)	4,6·10‒10–0,000041
4He	2	2	4,00260325415(6)	STABIL	0+	0,99999866(3)	0,999959–1
5He	2	3	5,01222(5)	700(30)·10‒24 s [0,60(2) MeV]	3/2‒
	Nagyon instabil, 4He-gyé bomlik.
6He	2	4	6,0188891(8)	806,7(15) ms	0+
	7He-ből vagy 11Li-ből keletkezik, béta-bomlással 6Li-tá alakul.
7He	2	5	7,028021(18)	2,9(5)·10‒21 s [159(28) keV]	(3/2)‒
	Nagyon instabil, 6He-tá bomlik.
8He	2	6	8,033922(7)	119,0(15) ms	0+
	9He-ből keletkezik, béta-bomlással 7Li-té alakul, majd kibocsát egy késleltetett neutront.
9He	2	7	9,04395(3)	7(4)·10‒21 s [100(60) keV]	1/2(‒#)
	Nagyon instabil, 8He-ra bomlik.
10He	2	8	10,05240(8)	2,7(18)·10‒21 s [0,17(11) MeV]	0+
	Nagyon instabil, 9He-re bomlik.

Megjegyzések

• Az izotóp-összetétel a levegőbeli előfordulásra vonatkozik.
• Az izotópok gyakoriságát, valamint az atomtömeg pontosságát az egyes előfordulások közötti eltérések korlátozzák. A megadott tartomány lefedi a Földön előforduló összes szokványos anyagot.
• Ismeretesek olyan geológiai minták, amelyek izotóp-összetétele a szokásos értékeken kívül van. Az atomtömeg bizonytalansága ezeknél meghaladhatja a jelzett hibahatárt.
• A # jelölésű értékek nem kizárólag kísérleti adatokból származnak, ezeknél rendszeres tendenciákat is figyelembe vettek. A gyenge asszignációs argumentumú spineket zárójelben jelöltük.
• A bizonytalanságokat rövid formában – a megfelelő utolsó számjegy után zárójelben – adjuk meg. A bizonytalanság értéke egy standard deviációnak felel meg, leszámítva a IUPAC által megadott izotóp-összetételt és standard atomtömeget, melyeknél kiterjesztett bizonytalanságot használunk.

Fordítás

• Ez a szócikk részben vagy egészben az Isotopes of helium című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.