헬륨-4

Helium-4
헬륨-4, He
일반
기호.4그는
이름헬륨-4, He-4
양성자 (Z)2
중성자 (N)2
핵종 데이터
자연 풍족도99.999863%
반감기 (t1/2)안정적인.
동위원소 질량4.002603254 Da
스핀0
결합 에너지28295.7 keV
헬륨 동위 원소
핵종 전체 표
Picture of a diffuse gray sphere with grayscale density decreasing from the center. Length scale about 1 Angstrom. An inset outlines the structure of the core, with two red and two blue atoms at the length scale of 1 femtometer.
헬륨 원자.핵(분홍색)과 전자 구름 분포(검은색)가 표시되어 있습니다.헬륨-4의 핵(오른쪽 위)은 실제로는 구면적으로 대칭이며 전자 구름과 매우 유사하지만, 더 복잡한 핵의 경우 항상 그렇지는 않습니다.

헬륨-4(4
He
)는 헬륨 원소의 안정 동위원소이다.그것은 지구상에 존재하는 헬륨의 약 99.99986%를 차지하며, 자연적으로 발생하는 헬륨의 두 동위원소 중 훨씬 더 풍부하다.그것의 핵은 알파 입자와 같으며, 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성되어 있다.

지구 지각에 있는 무거운 원소의 알파 붕괴는 지구가 냉각되고 굳은 후에 생성된 지구상에서 가장 자연적으로 발생하는 헬륨-4의 원천이다.별에서 핵융합에 의해 생성되기도 하지만, 태양과 우주에 있는 대부분의 헬륨-4는 빅뱅에 의해 생성된 것으로 생각되며, "원시 헬륨"이라고 불립니다.그러나 원시 헬륨-4는 지구 형성의 고온 단계에서 빠져나갔기 때문에 지구에는 거의 존재하지 않는다.

헬륨-4는 우주에 있는 일반적인 물질의 약 4분의 1을 질량으로 구성하며, 나머지 대부분은 수소이다.

액체 헬륨-4가 2.17K(-270.98°C) 이하로 냉각되면 일반 액체와 매우 유사한 특성을 가진 초유체가 된다.예를 들어 초유체 헬륨-4를 열린 용기에 보관하면 얇은 막이 용기의 측면을 타고 올라가 넘쳐난다.이 상태 및 상황에서, 그것은 "롤린 영화"라고 불립니다.이 이상한 행동은 Clausius-Clapeyron 관계의 결과이며 현재의 고전 역학 모델이나 핵 또는 전기 모델로는 설명할 수 없습니다. 양자 역학 현상으로만 이해될 수 있습니다.헬륨-4 핵의 총 스핀은 정수(0)이므로 보손(헬륨-4의 중성 원자)이다.초유체 거동은 보손 집합에서만 발생하는 보스-아인슈타인 응축의 현상으로 이해된다.

0.2K와 50atm에서 고체 헬륨-4는 슈퍼글라스(초유체를 [1][2][3]나타내는 비정질 고체)일 수 있다는 이론이 있다.

헬륨-4는 달에도 존재하며 지구와 마찬가지로 가장 풍부한 헬륨 [4][5][6]동위원소이다.

헬륨-4 원자

주요 기사:헬륨 원자

헬륨 원자는 두 번째로 단순한 원자(수소가 가장 단순함)이지만, 여분의 전자는 세 번째 "체"를 도입하기 때문에, 그 파동 방정식의 해답은 분석적인 해답이 없는 "3체 문제"가 된다.그러나 양자역학 방정식의 수치적 근사치를 통해 헬륨-4의 크기와 이온화 에너지와 같은 주요 원자 성질을 잘 추정할 수 있었다.

He 핵의 크기는 오랫동안 1fm 정도의 크기로 알려져 왔다.원자 전자가 뮤온으로 대체된 외래 헬륨 원자의 사용에 관한 실험에서, 핵의 크기는 1.67824(83) [7]fm으로 추정되었다.

He핵과 전자각의 안정성

헬륨-4 원자의 핵은 알파 입자와 동일하다.고에너지 전자 산란 실험은 헬륨 자체의 전자 구름의 전하 밀도와 똑같이 중심점의 최대치에서 기하급수적으로 전하가 감소한다는 것을 보여줍니다.이 대칭은 유사한 기초 물리학을 반영합니다: 헬륨의 핵에 있는 중성자 쌍과 양성자 쌍은 헬륨의 전자 쌍과 같은 양자 역학적 법칙을 따릅니다 (비록 핵 입자는 다른 핵 결합 전위를 가지고 있지만), 그래서 이 모든 페르미온이 쌍으로 1s 궤도를 완전히 차지하지만, 그것들 중 어느 것도 없습니다.궤도 각운동량을 가지고 있고, 각각은 서로의 고유 스핀을 상쇄한다.이 입자들 중 하나를 더하는 것은 각운동량을 필요로 하고 훨씬 적은 에너지를 방출할 것이다(사실, 5개의 핵자를 가진 핵은 안정적이지 않다).따라서 이러한 배열은 모든 입자에 대해 에너지적으로 매우 안정적이며, 이러한 안정성은 자연에서 헬륨에 관한 많은 중요한 사실들을 설명해줍니다.

예를 들어, 헬륨 전자 구름의 안정성과 낮은 에너지는 헬륨의 화학적 불활성성(모든 원소 중 가장 극단적인 것)을 유발하고 헬륨 원자가 서로 상호작용하지 않는 것(모든 원소 중 가장 낮은 녹는점과 끓는점을 생성함)을 유발합니다.

비슷한 방법으로, 유사한 효과로 생성된 헬륨-4 핵의 특정한 에너지 안정성은 중입자 방출과 핵융합에 관련된 원자 반응에서 헬륨-4의 생산을 용이하게 한다.수소로부터의 핵융합 반응으로 안정된 헬륨-3이 생성되지만, 매우 에너지적으로 우호적인 헬륨-4의 생성에 비하면 매우 작은 비율이다.헬륨-4의 안정성은 수소가 태양에서 핵융합 반응 중에 중수소나 헬륨-3 또는 다른 무거운 원소가 아닌 헬륨-4로 변환되는 이유이다.또한 알파 입자가 원자핵에서 방출되는 가장 일반적인 유형의 중입자가 되는 것도 부분적으로 책임이 있다. 즉, 알파 붕괴는 클러스터 붕괴보다 훨씬 더 흔하다.

일반적인 동위원소의 핵자당 결합 에너지.헬륨-4의 입자당 결합 에너지는 근처의 모든 핵종보다 상당히 큽니다.

헬륨-4 핵의 특이한 안정성 또한 우주론적으로 중요하다.이는 빅뱅 이후 처음 몇 분 동안 핵 결합이 가능할 정도로 약 6:1 비율로 냉각된 자유 양성자와 중성자의 "수프"로서 형성되는 거의 모든 원자핵이 헬륨-4 핵이었다는 사실을 설명한다.헬륨-4에서 핵자의 결합은 매우 단단해서, 핵자는 베타 붕괴되기 전에 몇 분 안에 거의 모든 자유 중성자를 소비했고, 무거운 원자(특히 리튬, 베릴륨, 붕소)를 형성하기 위해 극소수만 남았습니다.핵자당 헬륨-4 핵결합의 에너지는 그 어떤 원소보다 강하기 때문에(핵생성과 결합 에너지 참조), 헬륨이 형성되면 3, 4, 5번 원소를 만들 수 있는 에너지 "드라이브"가 없었다.헬륨이 핵자(탄소)당 더 높은 에너지로 다음 원소로 융합되는 것은 에너지적으로 거의 바람직하지 않습니다.그러나 중간 원소의 희귀성과 베릴륨-8(두 개의 He 원자핵이 융합할 때의 생성물)의 극심한 불안정성으로 인해 이 과정은 세 개의 헬륨 원자핵이 거의 동시에 서로 충돌해야 한다(트리플 알파 과정 참조).따라서 대폭발 이후 몇 분 동안 중요한 탄소가 형성될 시간이 없었다. 그 후 초기 팽창 우주가 온도와 압력으로 냉각되면서 탄소로 헬륨 융합이 더 이상 불가능해졌다.이것은 초기 우주의 수소-헬륨 비율을 오늘날 관측된 것과 매우 비슷하게 만들었다(질량 기준 수소 3개 대 헬륨 4개). 우주의 거의 모든 중성자가 헬륨 4에 갇혔다.

빅뱅 이후 지구와 같은 암석 행성이나 탄소 기반 또는 다른 생명체에 필요한 원소들을 포함한 모든 무거운 원소들은 수소보다 무거운 원소들을 융합하기에 충분히 뜨거운 별들에서 생산되어야 했다.오늘날 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소는 우주의 원자 물질 질량의 2%만을 차지한다.반면 헬륨-4는 우주 일반 물질의 약 23%를 차지하는데,1 수소(H)가 아닌 거의 모든 일반 물질입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Giulio Biroli; Claudio Chamon; Francesco Zamponi (2008). "Theory of the superglass phase". Physical Review B. 78 (22): 19. arXiv:0807.2458. Bibcode:2008PhRvB..78v4306B. doi:10.1103/PhysRevB.78.224306. S2CID 3222218.
  2. ^ "Press release: Supersolid or superglass? Cornell researchers study a strange state of matter in helium - Cornell Chronicle".
  3. ^ Yu, Xiaoquan; Mueller, Markus (2012). "Mean field theory of superglasses". Physical Review B. 85 (10): 104205. arXiv:1111.5956. Bibcode:2012PhRvB..85j4205Y. doi:10.1103/PhysRevB.85.104205. S2CID 119261743.
  4. ^ https://www.science.gov/topicpages/c/cold+cathode+gauges.html
  5. ^ https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19740021148/downloads/19740021148.pdf[베어 URL PDF]
  6. ^ Cook, Melvin A. (1957). "Where is the Earth's Radiogenic Helium?". Nature. 179 (4552): 213. Bibcode:1957Natur.179..213C. doi:10.1038/179213a0. S2CID 4297697.
  7. ^ Julian J. Krauth; Schuhmann, Karsten; Ahmed, Marwan Abdou; et al. (2021). "Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions". Nature. 589 (7843): 527–531. Bibcode:2021Natur.589..527K. doi:10.1038/s41586-021-03183-1. PMC 7914124. PMID 33505036.

외부 링크


경량화:
헬륨-3 		헬륨-4는
헬륨 동위원소 		중량:
헬륨-5
붕괴 생성물:
리튬-5(p)
헬륨-5(n)
베릴륨-6(2p)
베릴륨-8(α) 		붕괴사슬
헬륨-4의		 데코:
안정적인.