Изотопы гелия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Изото́пы ге́лия — разновидности атомовядер) химического элемента гелия, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Всего известно на данный момент времени 8 изотопов, но только два из них стабильны. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого 3He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах)[1][2].

Гелий в атмосфере, почти весь состоящий из тяжёлого нуклида 4He, является продуктом α-распада тяжёлых радиоактивных элементов (урана, тория, актиния), лишь незначительная его часть является реликтовой (то есть захваченной миллиарды лет назад уплотнявшейся космической пылью, из которой образовалась Земля)[1][2]. Скорость образования гелия ничтожна и составляет около 1,16·10−7 см³ на 1 г U и 2,43·10−8 см³ на 1 г Th в год. Одна тонна связанного в минералах урана испускает за год всего 0,12 см³ гелия. Этот процесс ежегодно накапливает в доступных изучению толщах Земли и вод (25-28)·106 м³ газа[1].

Содержание 3He в выделенном из атмосферы гелии ничтожно мало, отношение 3He/4He для воздуха равно 1,1·10−6, а для гелия из природных газов 1,4·10−7. Установлено, что 3He получается в результате β-распада тяжёлого нуклида водорода — трития, который образуется в ряде ядерных реакций в земной коре и верхних слоях атмосферы. В последних тритий возникает при обстреле азота нейтронами космического излучения[2]:

\mathrm{{}^{14}_{7}N} + \mathrm{{}^{1}_{0}n} \rightarrow \mathrm{{}^{3}_{1}T}+ \mathrm{{}^{12}_{6}C}.

Тритий довольно быстро (T1/2=12,46 лет) распадается с образованием 3He, электронов и антинейтрино:

\mathrm{{}^{3}_{1}T}\rightarrow\mathrm{{}^{3}_{2}He}+ e^- + \bar{\nu}_e.

Звёздный гелий (гелий Вселенной) — продукт термоядерной реакции синтеза ядер водорода, протекающей на Солнце и звездах по протон-протонному и углеродно-азотному циклам[1].

Известны ещё шесть радиоактивных изотопов гелия, являющихся продуктами искусственных ядерных реакций. Так, например, нуклид 6He был получен при бомбардировке бериллия нейтронами[1]:

\mathrm{{}^{9}_{4}Be} + \mathrm{{}^{1}_{0}n} \rightarrow \mathrm{{}^{6}_{2}He}+ \mathrm{{}^{4}_{2}He}.

Таблица изотопов гелия[править | править вики-текст]

Символ
нуклида
Z(p) N(n) Масса изотопа[3]
(а. е. м.)
Избыток массы[3]
(кэВ)
Период
полураспада
[4]
(T1/2)
Спин и чётность
(J π) ядра[4]
Распространённость
изотопа в природе
[4]
(%)
2He[5][6] 2 0 2 (?) (?) - протонный распад >99.99%

либо β+ в дейтрон (<0.01%)

1/2+ 0+(#)


3He 2 1 3,0160293191(26) 14931,2148(24) Стабильный 1/2+ 0,000137(3)
4He 2 2 4,00260325415(6) 2424,91565(6) Стабильный 0+ 99,999863(3)
5He 2 3 5,012220(50) 11390(50) 700(30)·10−24 с 3/2
6He 2 4 6,0188891(8) 17595,1(8) 806,7(15) мс 0+
7He 2 5 7,028021(18) 26101(17) 2,9(5)·10−21 с (3/2)
8He 2 6 8,02248736(10) 31598(7) 119,0(15) мс 0+
9He 2 7 9,043950(30) 40939(29) 7(4)·10−21 с 1/2( #)
10He 2 8 10,052400(80) 48810(70) 2,7(18)·10−21 с 0+

Пояснения к таблице[править | править вики-текст]

  • Распространённость изотопов приведена для земной атмосферы. Для других источников значения могут сильно отличаться.
  • Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних (по Z и N) нуклидов. Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.
  • Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 4 5 Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Глава первая. Открытие. Происхождение. Распространенность. Применение // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Атомиздат, 1972. — С. 3-13. — 352 с. — 2400 экз.
  2. 1 2 3 Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 76-110. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  3. 1 2 Данные приведены по G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode2003NuPhA.729..337A.
  4. 1 2 3 Данные приведены по G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode2003NuPhA.729....3A.
  5. Промежуточное состояние в термоядерной реакции протон-протон
  6. Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution, 2004, ISBN 9780387200897: "The Proton-Proton Reaction": "This crucial but as it turns out, unlikely reaction requires that two protons form a coupled system (the "diproton") while flashing past one another and, at practically that same instant, one of these protons must undergo a weak decay"