ヘリウムの同位体

ヘリウム の同位体（2 He）
主な同位体[ 1 ]減衰
アイソトープ豊富半減期（t 1/2）モード製品
3彼0.0002%安定した
4彼99.9998%安定した
標準原子量A r °(He)

ヘリウム（2 He ）には9つの同位体が知られていますが、安定しているのはヘリウム3（3 He ）とヘリウム4（4 He ）のみです。すべての放射性同位体は短寿命であり、粒子に結合するのは 半減期がそれぞれ806.9ミリ秒と119.5ミリ秒の6 He と8 Heのみです。

地球の大気では、 3Heと4Heの比率は1.37 × 10 −6。[ 2 ]しかし、ヘリウムの同位体存在比はその起源によって大きく変化するが、ヘリウム4が常に圧倒的に多い。局所星間雲では、 3 Heと4 Heの比率は1.62(29) × 10 −4であり、[ 4 ]これは地球の大気中の約120倍に相当します。地殻の岩石では同位体比が10倍も変化します。これは地質学において、岩石の起源や地球のマントルの構成を調べるために用いられています。[ 5 ]ヘリウムの2つの安定同位体の形成過程の違いが、同位体存在比の違いを生み出します。

下記の液体ヘリウム3とヘリウム4の等量混合物0.8 Kでは、量子統計の違いにより、2つの混ざらない相に分離します。4つのHe原子はボソンであり、3つのHe原子はフェルミオンです。[ 6 ]希釈冷凍機は、これら2つの同位体の混ざらない性質を利用して、数ミリケルビンという低温を実現します。

2つの同位体の混合物は、自発的に3 He に富む領域と4 He に富む領域に分離します。[ 7 ]相分離は超低温気体システムでも存在します。[ 8 ]これは、2成分の超低温フェルミ気体の場合に実験的に示されています。[ 9 ] [ 10 ]相分離は、渦格子形成やエキゾチックなフルデ・フェレル・ラーキン・オブチンニコフ相などの他の現象と競合する可能性があります。[ 11 ]

同位体のリスト

核種 Z北同位体質量（Da）[ 12 ] [ n 1 ]半減期[ 1 ] [共鳴幅] 減衰モード[ 1 ] [ n 2 ]娘同位体[ n 3 ]スピンとパリティ[ 1 ] [ n 4 ] [ n 5 ]天然存在比（モル分率）
通常の割合[ 1 ]変動の範囲
2彼[ n 6 ]2 0 2.015 894 (2)≪10 −9 秒[ 13 ]p (>99.99%） 1時間0+#
β + (<0.01%） 2時間
3彼[ n 6 ] [ n 7 ] [ n 8 ]2 1 3.016 029 321 967 (60)安定した1/2以上 0.000 002 (2) [ 2 ][4.6 × 10 −10、0.000 041 ] [ 14 ]
4彼[ n 7 ] [ n 9 ]2 2 4.002 603 254 130 (158)安定した0歳以上 0.999 998 (2) [ 2 ][0.999 959、1.000 000 ] [ 14 ]
5彼 2 3 5.012 057 (21)6.02(22) × 10 −22 秒[758(28) keV ] n4彼3/2−
6彼[ n 10 ]2 4 6.018 885 889 (57)806.92(24)ミリ秒β −（99.999 722 (18) %) 6李0歳以上
β − d [ n 11 ] (0.000 278 (18) %) 4彼
7彼 2 5 7.027 991 (8)2.51(7) × 10 −21 秒[182(5) keV ] n 6彼 (3/2)−
8彼[ n 12 ]2 6 8.033 934 388 (95)119.5（1.5）ミリ秒β −（83.1（1.0）％） 8李 0歳以上
β − n (16(1)% ) 7李
β − t [ n 13 ] (0.9(1)% ) 5彼
9彼 2 7 9.043 946 (50)2.5(2.3) × 10 −21 秒n 8彼1/2(+)
10彼 2 8 10.052 815 31 (10)2.60(40) × 10 −22 秒[1.76(27) MeV ] 2n 8彼 0歳以上
この表のヘッダーとフッター:
  1. ^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
  2. ^ 崩壊のモード:
    名前:中性子放出
    p:陽子放出
  3. ^太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。
  4. ^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数を持つスピンを示します。
  5. ^ # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種 (TNN) の傾向から導き出されたものです。
  6. ^ a b陽子-陽子鎖の中間体
  7. ^ a bビッグバン元素合成で生成された
  8. ^これと1Hは中性子よりも陽子の数が多い唯一の安定核である。
  9. ^アルファ崩壊で生成される
  10. ^ハロー中性子を2個持つ
  11. ^ d: 重陽子放出
  12. ^ハロー中性子を4個持つ
  13. ^ t:トリトン放出

ヘリウム2（二陽子）

ヘリウム2（2He ）は非結合原子です。質量数2の結合原子は重水素のみです。[ 15 ] [ 16 ] 2Heの原子核は、中性子を持たない2つの陽子で構成されています。その不安定性は、核力におけるスピン間相互作用とパウリの排他原理によるものです。パウリの排他原理とは、ある量子系において、同じ半整数スピン（フェルミオン）を持つ2つ以上の同一粒子が同時に同じ量子状態を占めることはできないというものです。そのため、2Heの2つの陽子は反対方向に整列したスピンを持ち、二陽子自体は負の結合エネルギーを持ちます。[ 17 ]

放射能のまれな形態は二陽子放出であり、原子核が準結合1S0構成で2つの陽子を放出し、その後それらが分離する。[ 18 ] 2000年にオークリッジ国立研究所は、18 10Ne、によって生成された17 9Fイオンビームを陽子過剰標的に照射した。しかし、この実験では、放出が2つの別々の陽子による崩壊なのか、それとも二陽子による崩壊なのかを区別する感度がなかった。 [ 19 ] [ 20 ] 2008年、国立原子核物理学研究所は、 18 Neが31%の分岐比で二陽子に崩壊することを確認した。 [ 13 ] [ 21 ]その後、他の同位体からの二陽子放出もいくつかの実験で検出されている。 [ 18 ]

結合した二陽子が存在しないことは、ビッグバン元素合成と恒星の進化への影響から、生命の発達を微調整する議論に使われてきた。[ 22 ] [ 23 ]仮説モデルによれば、強い力が2%強ければ、二陽子は結合する（ただし、β +崩壊して重水素になる）と示唆されている。[ 24 ]最近の研究では、結合した二陽子を持つ宇宙でも、恒星や生命の発達が妨げられるわけではないことが分かっている。[ 24 ] [ 23 ] [ 16 ]

仮想的な束縛二陽子の影響の一つは、陽子-陽子連鎖の初期段階の変化である。我々の宇宙では、陽子-陽子連鎖の最初の段階は弱い力によって進行する。[ 25 ] [ 26 ]

p + p →2 1D + e++ νe+0.42 MeV

仮説的には、弱い力がなくても二陽子が形成される可能性がある。[ 16 ] [ 24 ]

p + p → 2 2彼

二陽子はベータプラス崩壊して重水素になる。

2 2彼→2 1D + e++ νe。

全体的な式では、

p + p →2 1D + e++ νe。

電磁相互作用の影響下では、Jaffe-Lowプリミティブ[ 27 ]はユニタリーカットを離れ、質量2000MeV、幅数百keVの二陽子共鳴のような狭い2核子共鳴を作り出す可能性がある。[ 28 ]この共鳴を探索するには、運動エネルギー250MeV、エネルギー広がり100keV未満の陽子ビームが必要であり、ビームの電子冷却を考慮すると実現可能である。

ヘリウム3

3 Heは、 1 H以外で中性子より陽子の数が多い唯一の安定同位体です。このような不安定同位体は、7 Beや8 Bなど多数存在します。地球上には3 Heが微量（約2ppm）[ 2 ]しか存在せず、主に地球形成以来存在していますが、宇宙塵に閉じ込められて地球に降り注ぐこともあります。[ 5 ]微量はトリチウムのベータ崩壊によっても生成されます。[ 29 ]しかし、恒星では3 Heは核融合生成物としてより豊富に存在します。月や小惑星の表土などの惑星外物質には、太陽風の衝突によって生じた微量の3 Heが含まれています。

超流動体になるためには、3 He を 2.5 ミリケルビンまで冷却する必要がある。これは4 Heの約 900 倍低い温度である(2.17 K ）。この違いは量子統計によって説明されます。3 He 原子はフェルミオンですが、4 He 原子はボソンであり、超流体に凝縮しやすくなります。

ヘリウム4

最も一般的な同位体である4 He は、地球上でより重い元素のアルファ崩壊によって生成されます。発生するアルファ粒子は完全に電離した4 He 原子核です。4 He は二重の魔法数を持つため、非常に安定した原子核です。ビッグバン元素合成において大量に生成されました。

地球上のヘリウムはほぼすべて（約2ppmを除く）4Heで構成されています[ 2 ]。4Heの沸点は4.2 Kは、 3 Heを除く既知の物質の中で最も低い温度です。さらに冷却すると、2.17 Kでは、粘性ゼロのユニークな超流動体となる。25気圧以上の圧力でのみ固化し、25気圧では0.95 K。

ヘリウム5

1987年のソ連の切手には、T-15トカマクを記念したもので、重水素と三重水素の融合過程におけるヘリウム5の核が描かれている。
主要反応の核融合断面積。ヘリウム5の共鳴がなければ、DT反応はDD反応と似たものとなるだろう。

ヘリウム5は非常に不安定で、半減期602ヨクト秒でヘリウム4に崩壊します。好ましい核融合反応によって一時的に生成されます。

この反応は共鳴の存在によって大きく促進されます。ヘリウム5は、0MeVの基底状態では-3/2の自然スピン状態を持ちますが、16.84MeVでは+3/2の励起スピン状態を持ちます。この反応によって、この状態に近いエネルギーレベルのヘリウム5原子核が生成されるため、より頻繁に発生します。これは、マンハッタン計画において核融合反応の兵器化を研究していたエゴン・ブレッチャーによって発見されました。

DT反応は、関連するエネルギーにおいてDD反応よりも100倍も起こりやすいが、共鳴がなければ同様の反応となる。2H- 3He反応はリチウム5における同様の共鳴の恩恵を受けるが、クーロン抑制効果を受ける。つまり、ヘリウム原子核の+2電荷が核融合における静電反発力を増加させる。[ 30 ]

ヘリウム6とヘリウム8

これらはヘリウムの長寿命放射性同位体である。ヘリウム6は半減期806.9ミリ秒でベータ崩壊し、ヘリウム8は半減期119.5ミリ秒でベータ崩壊する。ただし、後者は追加の粒子放出が発生する可能性があり、その影響は大きい。ヘリウム6とヘリウム8は、通常のヘリウム4原子核と、それを取り囲む中性子「ハロー」（ヘリウム6は中性子2個、ヘリウム8は中性子4個）で構成されていると考えられている。ハロー原子核の特異な構造は、中性子の孤立特性や標準模型を超えた物理学への洞察をもたらす可能性がある。[ 31 ] [ 32 ]

参照

ヘリウム以外の娘核種

参考文献

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