ヘリウムの同位体

ヘリウム（₂ He）（標準原子量：4.002 602（2））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（^3He）とヘリウム4（^4He）のみです。^[4]すべての放射性同位体は短寿命であり、最も長寿命なのは半減期が6He^です。 806.92(24)ミリ秒。最も不安定なのは¹⁰ Heで、半減期は260(40) ヨクト秒（2.6(4) × 10 ⁻²²  s）、ただし² Heの半減期はさらに短い可能性がある。

^{地球の大気では、 3} Heと⁴ Heの比率は1.343(13) × 10 ⁻⁶。^[5]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異なります。局所星間雲では、 ³ Heと⁴ Heの比率は1.62(29) × 10 ⁻⁴であり、^[6]地球の大気中の約121倍に相当します。地球の地殻の岩石は同位体比が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使われます。^[7]ヘリウムの2つの安定同位体の形成過程が異なるため、同位体存在比も異なります。

液体^3Heと^4He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。^[8]希釈冷凍機は、これら2つの同位体の混ざり合わない性質を利用して、数ミリケルビンの温度を実現します。

2つの同位体の混合物は、自発的に3Heに富む領域と4Heに富む領域に分離します^。 [ ⁹ ]^相分離は超低温ガス系でも存在します。^{[10]これは、2成分の超低温}フェルミガスの場合に実験的に示されています。^{[11] [12]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。^[13]

ヘリウム2（² He）は極めて不安定である。その原子核である二陽子は、中性子のない2つの陽子から構成される。理論計算によれば、強い力が2%大きければ、はるかに安定する（それでも重水素へのβ ⁺崩壊は起こる）^[18] 。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、これは、与えられた量子系内で、同じ半整数スピンを持つ2つ以上の同一粒子（つまり、フェルミオン）が同時に同じ量子状態を占めることはできないと述べている。そのため、² He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つ。^[19]

² Heが観測された可能性がある。2000年、物理学者は初めて、原子核が2つの陽子（おそらく² He）を同時に放出する新しいタイプの放射性崩壊を観測した。 ^{[20] [21]}オークリッジ国立研究所のアルフレド・ガリンド・ウリバリ率いるチームは、この発見が強い核力の理解に役立ち、恒星内元素合成への新たな知見をもたらすと発表した。ガリンド・ウリバリと同僚らは、陽子を1つずつ放出することを妨げるエネルギー構造を持つネオン同位体を選択した。これは、2つの陽子が同時に放出されることを意味する。チームは、陽子が豊富なターゲットにフッ素イオンのビームを発射して¹⁸ Neを生成し、これが酸素と2つの陽子に崩壊した。ターゲット自体から放出された陽子は、その特性エネルギーによって識別された。 2 つの陽子の放出は 2 つの方法で進行します。ネオンが 2 つの陽子を放出し、それが別々の陽子に崩壊するか、または「民主的崩壊」で陽子が別々に同時に放出される可能性があります。実験は、これら 2 つのプロセスのどちらが起こっているかを特定できるほど感度が高かったです。

² Heのさらなる証拠は、2008年にイタリアの国立原子核物理学研究所で発見されました。 ^{[15] [22] 20} Neイオンのビームがベリリウム箔のターゲットに向けられました。この衝突により、ビーム内のより重いネオン原子核の一部が¹⁸ Ne原子核に変換されました。これらの原子核は次に鉛箔と衝突しました。2回目の衝突により、 ¹⁸ Ne原子核は非常に不安定な状態に励起されました。オークリッジでの以前の実験と同様に、^{18 Ne原子核は16} O原子核に崩壊し、さらに2つの陽子が同じ方向から出ていくのが検出されました。新しい実験では、2つの陽子が最初は一緒に放出され、準結合¹ S構成で相関し、1ナノ秒よりもずっと短い時間後に別々の陽子に崩壊すること が示されました。

さらなる証拠は日本の理化学研究所とロシアのドゥブナにある合同原子核研究所から得られている。そこでは^{6 He 原子核のビームを極低温}水素ターゲットに向け、 ⁵ H を生成した。 ⁶ He は 4 つの中性子すべてを水素に提供できることが発見された。^{[要出典]残りの 2 つの陽子は同時にターゲットから二陽子として放出され、すぐに 2 つの陽子に崩壊した。同様の反応は8} He 原子核が水素と衝突した場合にも観察されている。 ^[23]

電磁相互作用の影響下で、Jaffe-Lowプリミティブ^[24] 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ります。^[25] 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すが、これはビームの電子冷却を考慮すると実現可能です。

^{2 He は}陽子-陽子連鎖の第一段階における中間体です。陽子-陽子連鎖の第一段階は 2 段階のプロセスです。まず、2 つの陽子が融合して二陽子を形成します。

¹ H + ¹ H +1.25MeV  → ^2He ;​

その後、二陽子は直ちにベータプラス崩壊して重水素になる。

² He → ² H + e ⁺ + ν _e +1.67MeV ;

全体的な公式

¹ H + ¹ H → ² H + e ⁺ + ν _e 0.42MeV。

結合した二陽子がビッグバンと恒星の元素合成に及ぼす仮説的影響が調査されてきた。^[18]いくつかのモデルは、結合した二陽子を許容する強い力の変動により、ビッグバンですべての原始水素がヘリウムに変換され、恒星と生命の発達にとって壊滅的となることを示唆している。この概念は、人類原理の一例である。しかし、2009年の研究では、形成された二陽子は依然として重水素に崩壊し、その結合エネルギーも増加するため、そのような結論を導くことはできないと示唆している。いくつかのシナリオでは、水素（² Hの形態）が依然として大量に残存する可能性があると仮定されており、強い力が正確な人類の限界内に調整されているという議論に反論している。 ^[26]

^{3 Heは、 1} H以外で陽子数が中性子数よりも多い唯一の安定同位体です。（このような不安定同位体は多数あり、最も軽いのは⁷ Beと^{8 Bです。）地球上には3} Heは痕跡量（約2ppm）^[16]しか存在せず、主に地球形成以来存在していますが、一部は宇宙塵に閉じ込められて地球に降り注いでいます。^[7]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。^[27]しかし、恒星では、核融合の生成物である³ Heの方が豊富です。月や小惑星のレゴリスなどの惑星外物質には、太陽風の衝撃で生じた痕跡量の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。

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イオン化された⁴ He 原子核です。^{4 He は}二重の魔法原子核であるため、非常に安定した原子核です。ビッグバン元素合成で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^[16]。4He^の沸点は4.2 Kは^3Heを除く既知の物質の中で最も低い。さらに冷却すると2.17 Kでは、粘度がゼロのユニークな超流体になります。25気圧以上の圧力でのみ固化し、0.95K .

より重いヘリウム同位体はすべて半減期が1秒未満で崩壊しますが、粒子加速器の衝突を利用して、ヘリウム、リチウム、窒素などの元素の異常な原子核が生成されました。このような同位体の異常な原子核構造は、中性子の孤立特性や標準モデルを超えた物理学への洞察を提供する可能性があります。^{[28] [29]}

最も短寿命の同位体は¹⁰ He で、半減期は約 260 ヨクト秒です。⁶ He はベータ崩壊し、半減期は 807 ミリ秒です。最も広く研究されている重いヘリウム同位体は⁸ He です。⁸ He と⁶ He は、中性子「ハロー」（⁶ He では 2 つの中性子、⁸ He では 4 つの中性子）に囲まれた通常の^{4 He 原子核で構成されていると考えられています。}ハロー原子核は熱心な研究対象となっています。 2 つの陽子と 8 つの中性子を持つ¹⁰ He までの同位体が確認されています。^{10 He は}二重魔法同位体であるにもかかわらず、粒子に束縛されておらず、ほぼ瞬時に2 つの中性子を放出します。^[30]

• 一般表 — ヘリウムおよびその他のエキゾチックな軽原子核の概要