헬륨 동위 원소
Isotopes of helium
| ||||||||||||||||||||||||
| 표준 원자량 Ar, standard(He) | 4.002602(2)[1][2] | |||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
알려진 헬륨(2He) 동위원소 9개(표준 원자량: 4.002602(2))가 있지만 헬륨-3(3
He
)와 헬륨-4(4
He
)만 안정적이다. 모든 방사성 동위원소는 수명이 짧고, 반감기가 806.92(24)밀리초인 최장수다
. 가장 안정적이지 못한 것은, 비록
그가
훨씬 더 짧은 반감기를 가질 수도 있지만, 260(40) 요토세컨드(2.6(4)×10초−22)의 반감기를 가지고 있는 것이다.
지구 대기권에서는 헤
대 헤의
비율이 1.343(13)×10이다−6.[3] 그러나 헬륨의 동위원소 풍부함은 그 기원에 따라 크게 달라진다. 국부 성간 구름에서 He
to He의
비율은 1.62(29)×10으로−4 대기 헬륨의 비율보다 121(22)배 높다.[4] 지구 지각에서 나온 바위는 동위원소 비율이 10배 정도로 다양하다; 이것은 바위의 기원과 지구 맨틀의 구성을 조사하기 위해 지질학에서 사용된다.[5] 헬륨의 두 안정된 동위원소의 서로 다른 형성 과정은 서로 다른 동위원소 분비를 생성한다.
0.8K 미만인 액체
He와 He의
동일한 혼합물은 서로 다르기 때문에 두 개의 불활성 단계로 분리된다(이들은 서로 다른 양자 통계를 따른다). 4
원자는
보손인 반면 원자는 페르미온이다.[6] 희석 냉장고는 이 두 동위원소의 투명성을 이용하여 몇 밀리켈빈 정도의 온도를 달성한다.
동위 원소 목록
| 뉴클리드[7] | Z | N | 동위원소 질량 (Da)[8] [n 1] | 하프라이프 [높이 폭] | 썩다 모드 [n 2] | 딸 동위 원소 [n 3] | 스핀 앤 앤 동등성 [n 4][n 5] | 자연적 풍요 (분수) | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 정상비율 | 변동 범위 | ||||||||||||||||||
| 2 그 [n 6] | 2 | 0 | 2.015894(2) | ≪ 10초−9[9] | p (>99.99%) | 2H | 0+# | ||||||||||||
| β+ (<0.01%) | 2 H | ||||||||||||||||||
| 3 그 [n 7] | 2 | 1 | 3.016029321967(60) | 안정적[n 8] | 1/2+ | 0.000002(2)[10] | |||||||||||||
| 4 그 [n 7] | 2 | 2 | 4.002603254130(158) | 안정적 | 0+ | 0.999998(2)[10] | |||||||||||||
| 5 그 | 2 | 3 | 5.012057(21) | 602(22) ys [759(28) keV] | n | 4 그 | 3/2− | ||||||||||||
| 6 그 [n 9] | 2 | 4 | 6.01888589(6) | 806.92(24) ms | β− (99.999722(18)%) | 6 리 | 0+ | ||||||||||||
| β−, 핵분열(0.000278(18)%) | 4 그 , H | ||||||||||||||||||
| 7 그 | 2 | 5 | 7.027991(8) | 2.51(7) zs [181.9(5.1) keV] | n | 6 그 | (3/2)− | ||||||||||||
| 8 그 [n 10] | 2 | 6 | 8.03393439(10) | 119.5(1.5) ms | β− (83.1(1.0)%) | 8 리 | 0+ | ||||||||||||
| β−,n (16(1)%) | 7 리 | ||||||||||||||||||
| β−, 핵분열(0.9(1)%) | 5 그 , H | ||||||||||||||||||
| 9 그 | 2 | 7 | 9.043950(50) | 2.5(2.3) z | n | 8 그 | 1/2(+) | ||||||||||||
| 10 그 | 2 | 8 | 10.05282(10) | 260(40) ys [1.8(3) MeV] | 2n | 8 그 | 0+ | ||||||||||||
| 표 머리글 및 바닥글: | |||||||||||||||||||
- ^ ( ) – 불확실성(1σ)은 해당 마지막 자리 뒤에 괄호 안에 간결한 형태로 주어진다.
- ^ 붕괴 모드:
n: 중성자 방출 p: 양성자 방출 - ^ 딸로서의 굵은 기호 – 딸 제품은 안정적이다.
- ^ ( ) 스핀 값 – 취약한 할당 인수가 있는 스핀을 나타낸다.
- ^ # – #로 표시된 값은 순수하게 실험 데이터에서 도출된 것이 아니라 최소한 부분적으로 인접 핵종(TNN)의 경향에서 도출된 것이다.
- ^ 양성자-양성자 연쇄반응의 중간
- ^ a b 빅뱅 핵합성 과정에서 생성
- ^ 이것과 H는 중성자보다 양성자가 많은 안정적인 유일한 핵종이다.
- ^ 후광 중성자 2개 포함
- ^ 후광 중성자 4개 포함
헬륨-2 (디프로톤)
헬륨-2 또는 그는
극도로 불안정한 헬륨 동위원소다. 그것의 핵인 디프로톤은 중성자가 없는 두 개의 양성자로 구성되어 있다. 이론적 계산에 따르면 강력이 2% 더 높았더라면 훨씬 안정적이었을 것이다([11]아직도 중수소에 대한 β+ 붕괴가 진행 중이지만). 그것의 불안정성은 원자력에서 스핀-스핀 상호작용에 기인하고, 두 양성자가 반정립적인 스핀을 가지도록 강요하고 디프로톤에게 부정적인 결합 에너지를 주는 파울리 배제 원칙 때문이다.[12]
그에
대한 관찰이 있었을지도 모른다. 2000년에 물리학자들은 핵이 한
번에 두 개의 양성자(아마도 헤 핵)를 방출하는 새로운 유형의 방사능 붕괴를 처음으로 관찰했다.[13][14] 오크리지 국립 연구소의 알프레도 갈린도-우리바르리가 이끄는 연구팀은 이번 발견이 과학자들이 강한 핵력을 이해하고 항성 내부의 원소 생성에 대한 신선한 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 것이라고 발표했다. 갈린도-우리바리와 동료들은 네온이 한 번에 하나씩 양자를 배출하지 못하게 하는 에너지 구조를 가진 동위원소를 선택했다. 이는 두 양성자가 동시에 배출된다는 것을 의미한다. 연구팀은 양성자가 풍부한 표적에 불소가온 빔을 발사해 네를
생산한 뒤 산소와 양성자 2개로 부패했다. 목표물 자체에서 배출된 양성자는 그 특징적인 에너지로 식별되었다. 두 개의 양성자 배출을 진행할 수 있는 두 가지 방법이 있다. 네온 핵은 헤
핵으로 함께 묶인 한 쌍의 양성자인 "디프로톤"을 꺼낼 수 있으며, 이 양성자는 분리된 양성자로 분해된다. 또는 양성자를 분리하여 동시에 배출할 수 있다. 즉, "민주주의 붕괴"라고 한다. 그 실험은 이 두 과정 중 어떤 과정이 일어나고 있는지 규명하기에 충분히 민감하지 않았다.
Her에
대한 더 많은 증거는 2008년 이탈리아에 있는 Isituto Nazionale di Fisica Nucleare에서 발견되었다.[9][15] 네
이온의 광선이 베릴륨 호일의 표적을 향하고 있었다. 이 충돌은 빔에 있는 더 무거운 네온 핵의 일부를 네핵으로
변환시켰다. 그리고 나서 이 핵들은 납의 호일과 충돌했다. 두 번째 충돌은 네핵을
매우 불안정한 상태로 흥분시키는 효과를 가져왔다. 오크 리지에서의 앞선 실험에서처럼, 네
핵은 O핵으로
붕괴되었고, 그 외에 두 개의 양성자가 같은 방향에서 빠져나오는 것이 감지되었다. 새로운 실험은 두 양성자가 처음에 퀘이바운드 S 구성으로 상관된 상태로 함께 배출된 후 1 나노초도 안 되는 시간 후에 분리된 양성자로 부패한다는 것을 보여주었다.
일본의[citation needed] RIKEN과 러시아 두브나의 JINR로부터 추가적인 증거가 나왔는데,[citation needed] He
nuclei의 빔이 He를
생산하기 위해 극저온 수소 표적을 향하였다. 헤핵이
중성자 4개를 모두 수소에 기증할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[citation needed] 남은
두 양성자는 헤 핵으로서 동시에 목표물에서 배출될 수 있었는데, 헤 핵은 빠르게 두 양성자로 붕괴되었다. 헤
핵이 수소와 충돌하는 것에서도 비슷한 반응이 관찰되었다.[16]
2
그는
양성자-양성자 연쇄반응의 첫 단계의 중간자다. 양성자-양성자 연쇄반응의 첫 번째 단계는 2단계 과정이다; 첫째, 두 개의 양성자가 융합되어 디프로톤을 형성한다.
중수소에 대한 디프로톤의 즉각적인 베타 플러스 붕괴가 뒤따른다.
전체 공식으로
- 1
1H
+ 1
1H
→ 2
1D
+
e+
+
ν
e + 0.42 MeV.
이 쌍둥이가 빅뱅과 별 핵합성에 결합하는 가상의 효과가 조사되었다.[11] 어떤 모델은 바운드 디프로톤의 존재를 허용하는 강한 힘의 변화가 빅뱅의 모든 원시 수소를 헬륨으로 변환할 수 있게 하고, 별과 생명체의 발전에 치명적인 결과를 가져올 것이라고 제안한다. 이 명제는 인류 원리의 예로 사용된다. 그러나 2009년 한 연구에 따르면, 형성된 쌍곡선은 여전히 중수소까지 부패하고, 그 결합 에너지 또한 증가할 것이기 때문에 그러한 결론을 도출할 수 없다고 한다. 일부 시나리오에서는 (중수소 형태의) 수소가 여전히 비교적 대량으로 생존할 수 있다고 가정하고, 강한 힘이 정확한 인체 한계 내에서 조정된다는 주장을 반박한다.[17]
헬륨-3
3
그는
안정적이며 H 이외의
유일한 안정 동위원소로서 중성자보다 양성자가 많다. (이렇게 불안정한
동위원소가 많은데, Be와 B가
가장 가볍다.) 비록 일부는 우주 먼지에 갇힌 지구로 떨어지기도 하지만 지구의 형성 이후 주로 존재하는 지구에는
미량(0.000002(2)[10]밖에 없다.[5] 미량도 삼중수소의 베타 붕괴에 의해 생성된다.[18] 그러나 별에서 그는
핵융합의 산물인 더 풍부하다. 달과 소행성 퇴적석과 같은 외행성 물질은 태양풍 폭격으로 인한 헤의
미량이다.
헬륨-3가 초유체를 형성하려면 0.0025K의 온도, 즉 헬륨-4(2.17K)보다 거의 천 배 낮은 온도로 냉각해야 한다. 이 차이는 양자 통계에 의해 설명되는데, 헬륨-3 원자는 페르미온이고, 헬륨-4 원자는 보손이기 때문에 초유체에 더 쉽게 응축된다.
헬륨-4
 |
가장 흔한 동위원소인 헤는
더 무거운 방사성 원소의 알파 붕괴에 의해 지구상에서 생성된다; 출현하는 알파 입자는 완전한 이온화된
헤 핵이다. 4
그는
핵이 완전한 껍질로 배열되어 있기 때문에 유달리 안정된 핵이다. 또한 빅뱅 핵합성 과정에서 엄청나게 많은 양이 형성되었다.
지상 헬륨은 이 동위원소의 거의 독점(0.999998(2)[10]으로 구성된다. 헬륨-4의 비등점 4.2K는 알려진 모든 물질 중 두 번째로 낮은 것으로 헬륨-3에 이어 두 번째다. 2.17K까지 더 식으면 점성이 0인 고유 초유체 상태로 변한다. 용융점이 0.95K인 25기압 이상의 압력에서만 응고된다.
중량 헬륨 동위 원소
무거운 헬륨 동위원소는 모두 반감기가 1초 미만으로 부패하지만, 연구자들은 입자 가속기 충돌을 이용해 헬륨, 리튬, 질소 등의 원소에 대해 특이한 원자핵을 만들어냈다. 그러한 동위원소의 특이한 핵 구조는 중성자의 고립된 성질에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.[citation needed]
최단 수명의 동위원소는 헬륨-10으로 반감기가 260(40) 헥토세초다. 헬륨-6은 베타 입자를 방출하여 분해되며 반감기는 806.92(24) 밀리초이다. 가장 널리 연구된 무거운 헬륨 동위원소는 헬륨-8이다. 헬륨-6뿐만 아니라 이 동위원소는 중성자 "할로"로 둘러싸인 정상 헬륨-4 핵으로 구성된 것으로 생각된다(He에는
중성자 2개, He에는
중성자 4개 포함). 후광핵은 강도 높은 연구 영역이 되었다. 양성자 2개와 중성자 8개로 구성된 헬륨-10까지의 동위원소가 확인됐다. 10
그는
두 배의 마법 동위원소임에도 불구하고 매우 짧은 반감기를 가지고 있다; 그것은 입자에 얽매이지 않고 거의 순간적으로 두 개의 중성자를 흘린다.[19]
외부 링크
일반 표 - 헬륨 및 기타 이국적인 빛 핵에 대한 추상화
참조
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- ^ Meija, Juris; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
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- ^ Busemann, H.; Bühler, F.; Grimberg, A.; Heber, V. S.; Agafonov, Y. N.; Baur, H.; Bochsler, P.; Eismont, N. A.; Wieler, R.; Zastenker, G. N. (2006-03-01). "Interstellar Helium Trapped with the COLLISA Experiment on the MiR Space Station—Improved Isotope Analysis by In Vacuo Etching". The Astrophysical Journal. 639 (1): 246. doi:10.1086/499223. ISSN 0004-637X.
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- ^ The Encyclopedia of the Chemical Elements. p. 264.
- ^ 반감기, 붕괴 모드, 핵 스핀 및 동위원소 구성은 다음과 같이 소싱된다.
Kondev, F.G.; Wang, M.; Huang, W.J.; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties" (PDF). Chinese Physics C. 45 (3): 030001. doi:10.1088/1674-1137/abddae. - ^ Wang, Meng; Huang, W.J.; Kondev, F.G.; Audi, G.; Naimi, S. (2021). "The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references*". Chinese Physics C. 45 (3): 030003. doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
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He
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H
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He
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