ヘリウムの同位体

ヘリウム（_2He）には9つの既知の同位体がありますが、安定なのはヘリウム3（^3He）とヘリウム4（^4He）のみです。すべての放射性同位体は寿命が短く、粒子に束縛されるのは ^6Heと^{8Heのみで、}半減期はそれぞれ806.9ミリ秒と119.5ミリ秒です。

^{地球の大気中では、 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起源によって大きく異なりますが、ヘリウム4が常に圧倒的に優勢です。局所星間雲では、 ^3Heと^4Heの比率は1.62(29) × 10 ⁻⁴ , ^{[ 4 ]}地球の大気中の約 120 倍です。地球の地殻の岩石は、同位体比が 10 倍も変動します。これは、地質学で岩石の起源や地球のマントルの組成を調査するために使用されています。^{[ 5 ]}ヘリウムの 2 つの安定同位体の形成過程が異なるため、同位体存在比が異なります。

^{液体の³He}と^⁴Heの等量混合物0.8  K では、量子統計の違いにより⁴ He 原子はボソンであり、 ³ He 原子はフェルミオンであるため、混ざり合わない2 つの相に分離します。^{[ 6 ]}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^3Heリッチ領域と^4Heリッチ領域に分離します。^{[ 7 ]}相分離は、極低温ガス系にも存在します。^{[ 8 ]} 2成分極低温フェルミガス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・オフ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 ]}

ヘリウム2、2He^{は非結合原子です。}質量数が2の結合原子は重水素のみです。^{[ 15 ] [ 16 ] 2He}の原子核は、中性子のない2つの陽子からなる二陽子です。その不安定性は、核力におけるスピン-スピン相互作用とパウリの排他原理によるものです。パウリの排他原理は、与えられた量子系内で、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述べています。そのため、^2Heの2つの陽子は反対方向にスピンが揃っており、二陽子自体が負の結合エネルギーを持っています。^{[ 17 ]}

まれな放射能の形態として、二陽子放出がある。これは、原子核が準束縛状態の¹ S ₀配置で 2 つの陽子を放出し、その後分離する現象である。^{[ 18 ]} 2000 年、オークリッジ国立研究所は、陽子過剰ターゲットに¹⁷ ₉ Fイオンビームを照射して¹⁸ ₁₀ Neから二陽子放出を検出した。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、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、イタリア国立核物理研究所は、 ^{18 Ne が 31%}の分岐比で二陽子に崩壊することを確認した。^{[ 21 ] [ 22 ]}その後、いくつかの実験で他の同位体からの二陽子放出が検出されている。^{[ 18 ]}

結合した二陽子の欠如は、ビッグバン核合成と恒星進化への影響により、生命の発生のための微調整を主張するために使用されてきた。^{[ 23 ] [ 24 ]}仮説モデルでは、強い力が2%大きければ二陽子は結合する（ただし、β ⁺崩壊で重水素になる）と示唆されている。^{[ 25 ]}最近の研究では、結合した二陽子を持つ宇宙は星や生命の発生を妨げないことがわかっている。^{[ 25 ] [ 24 ] [ 16 ]}

仮説上の結合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。^{[ 26 ] [ 27 ]}

p + p → ² ₁ D + e ⁺+ ν_e +0.42  MeV

仮説では、弱い力なしで二陽子が形成される可能性がある。^{[ 16 ] [ 25 ]}

p + p → ² ₂ He

二陽子はその後ベータプラス崩壊を起こして重水素になる。

² ₂ He→ ² ₁ D+e ⁺+ ν_e。

全体的な式では、

p + p → ² ₁ D + e ⁺+ ν_e。

電磁相互作用の影響下で、Jaffe-Low 原始粒子^{[ 28 ]}はユニタリー カットから外れ、質量 2000 MeV、幅が数百 keV の二陽子共鳴のような狭い 2 核子共鳴を生成する可能性がある。^{[ 29 ]}この共鳴を探索するには、運動エネルギー 250 MeV、エネルギー幅が 100 keV 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。

³ He は、¹ H以外で陽子数が中性子数より多い唯一の安定同位体です。7 Be や^{8 Bなど、このような不安定同位体は多数存在します。地球上には3} Heはごく微量 (約 2 ppm) ^{[ 2 ]}しか存在せず、主に地球形成時から存在していますが、一部は宇宙塵に捕らえられて地球に落下しています。^{[ 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。^{[ 30 ]}しかし、恒星では^{3 He はより豊富に存在し、}核融合の産物です。月や小惑星のレゴリスなどの惑星外物質には、太陽風の衝突による³ Heの痕跡があります。

超流動状態になるには、³ He を 2.5 ミリケルビンまで冷却する必要があります。これは⁴ He (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、超流動状態に凝縮しやすいのです。

最も一般的な同位体である^4He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。この崩壊で放出されるアルファ粒子は、完全に電離した^4He原子核です。4He^は二重魔法数であるため、非常に安定した原子核です。ビッグバン原子核合成において、膨大な量が生成されました。

地球上のヘリウムは、ほぼすべて（約2ppmを除く）^{[ 2 ] 4Heで}構成されています。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。2.17  Kでは、粘度がゼロの特異な超流動体となる。25気圧以上の圧力でのみ固化し、その圧力下では融解する。0.95  K。

ヘリウム5は極めて不安定で、半減期602ヨクト秒でヘリウム4に崩壊する。これは、以下の好ましい核融合反応で短時間生成される。

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {H} +{}^{3}\mathrm {H} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {彼} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {彼} +n+17.6\ \mathrm {MeV} }$

この反応は共鳴の存在によって大きく促進される。基底状態（0 MeV）で自然スピン状態が-3/2であるヘリウム5は、16.84 MeVで+3/2の励起スピン状態を持つ。この反応によって、この状態に近いエネルギー準位を持つヘリウム5原子核が生成されるため、反応頻度が高くなる。これは、マンハッタン計画のために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た。

特にDT反応は、関連するエネルギーではDD反応よりも100倍起こりやすいが、共鳴がなくても同様である。2H- ^3He反応^はリチウム-5で同様の共鳴の恩恵を受けるが、クーロン抑制される。つまり、+2のヘリウム原子核電荷が融合核の静電反発を増加させる。^{[ 31 ]}

これらはヘリウムの長寿命放射性同位体です。ヘリウム6ベータ崩壊は半減期806.9ミリ秒、ヘリウム8ベータ崩壊は半減期119.5ミリ秒ですが、後者では追加の粒子放出が起こり、重要です。6Heと^8Heは、通常の^4He原子核が中性子「ハロー」（6Heでは2個の中性子^、8Heでは4個の中性子）に囲まれた構造であると考えられています。ハロー原子核の特異な構造は、中性子の孤立した性質や標準模型を超える物理学についての洞察を与えてくれるかもしれません。^{[ 32 ] [ 33 ]}

ヘリウム以外の娘製品

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