Isótopos del helio

Helio ( ₂ He) ( peso atómico estándar :4.002 602 (2) ) tiene nueve isótopos conocidos , pero solo el helio-3 ( ³ He) y el helio-4 ( ⁴ He) son estables . ^[4] Todos los radioisótopos tienen una vida corta; el de vida más larga es ^{el 6} He con una vida media 806,92(24) milisegundos . El menos estable es ^{el 10} He, con una vida media260(40)  yoctosegundos (2,6(4) × 10 ⁻²²  s ), aunque ^{el 2} He puede tener una vida media aún más corta.

En la atmósfera de la Tierra, la relación de ³ He a ⁴ He es1.343(13) × 10 ⁻⁶ . ^[5] Sin embargo, la abundancia isotópica del helio varía mucho dependiendo de su origen. En la Nube Interestelar Local , la proporción de ³ He a ⁴ He es1,62(29) × 10 ⁻⁴ , ^[6] que es ~121 veces mayor que en la atmósfera terrestre. Las rocas de la corteza terrestre tienen proporciones isotópicas que varían hasta en un factor de diez; esto se utiliza en geología para investigar el origen de las rocas y la composición del manto terrestre . ^[7] Los diferentes procesos de formación de los dos isótopos estables del helio producen las diferentes abundancias isotópicas.

Mezclas iguales de líquidos ³ He y ⁴ He a continuación0,8 K se separan en dos fases inmiscibles debido a diferencias en las estadísticas cuánticas : ⁴ átomos de He son bosones mientras que ³ átomos de He son fermiones . ^[8] Los refrigeradores de dilución aprovechan la inmiscibilidad de estos dos isótopos para alcanzar temperaturas de unos pocos milikelvin .

Una mezcla de los dos isótopos se separa espontáneamente en ³ regiones ricas en He y ⁴ regiones ricas en He. ^[9] La separación de fases también existe en sistemas de gas ultrafrío . ^[10] Se ha demostrado experimentalmente en un caso de gas Fermi ultrafrío de dos componentes. ^{[11] [12]} La separación de fases puede competir con otros fenómenos como la formación de redes de vórtices o una fase exótica de Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov . ^[13]

El helio-2, ² He, es extremadamente inestable. Su núcleo, un diprotón , consta de dos protones sin neutrones . Según los cálculos teóricos, sería mucho más estable (pero aún así se desintegraría ^en deuterio ) si la fuerza fuerte fuera un 2% mayor. ^[18] Su inestabilidad se debe a las interacciones espín-espín en la fuerza nuclear y al principio de exclusión de Pauli , que establece que dentro de un sistema cuántico dado, dos o más partículas idénticas con los mismos espines semienteros (es decir, fermiones) no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico; por lo tanto, los dos protones de ² He tienen espines alineados de manera opuesta y el propio diprotón tiene energía de enlace negativa . ^[19]

² Es posible que se haya observado. En 2000, los físicos observaron por primera vez un nuevo tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo emite dos protones a la vez, tal vez ² He. ^{[20] [21]} El equipo dirigido por Alfredo Galindo-Uribarri del Laboratorio Nacional de Oak Ridge anunció que el descubrimiento ayudará a comprender la fuerza nuclear fuerte y proporcionará nuevos conocimientos sobre la nucleosíntesis estelar . Galindo-Uribarri y sus colaboradores eligieron un isótopo de neón con una estructura energética que le impide emitir protones de uno en uno. Esto significa que los dos protones se expulsan simultáneamente. El equipo disparó un haz de iones de flúor a un objetivo rico en protones para producir ¹⁸ Ne, que luego se descompuso en oxígeno y dos protones. Todos los protones expulsados ​​del propio objetivo se identificaron por sus energías características. La emisión de dos protones puede producirse de dos maneras: el neón puede expulsar un diprotón, que luego se desintegra en protones separados, o los protones pueden emitirse por separado pero simultáneamente en una "desintegración democrática". El experimento no fue lo suficientemente sensible como para establecer cuál de estos dos procesos estaba teniendo lugar.

Más evidencia de ² He fue encontrada en 2008 en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , en Italia. ^{[15] [22]} Un haz de iones de ²⁰ Ne fue dirigido a un objetivo de lámina de berilio. Esta colisión convirtió algunos de los núcleos de neón más pesados ​​​​en el haz en núcleos de ¹⁸ Ne. Estos núcleos luego chocaron con una lámina de plomo. La segunda colisión excitó el núcleo ^{de 18} Ne a una condición altamente inestable. Como en el experimento anterior en Oak Ridge, el núcleo ^{de 18} Ne se desintegró en un núcleo ^{de 16} O, más dos protones detectados saliendo de la misma dirección. El nuevo experimento mostró que los dos protones fueron expulsados ​​​​inicialmente juntos, correlacionados en una configuración ¹ S cuasiligada , antes de desintegrarse en protones separados mucho menos de un nanosegundo después.

Más evidencia proviene de Riken en Japón y el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna , Rusia , donde se dirigieron haces de núcleos de ⁶ He a un objetivo criogénico de hidrógeno para producir ⁵ H. Se descubrió que el ⁶ He puede donar sus cuatro neutrones al hidrógeno. ^{[ cita requerida ]} Los dos protones restantes podrían ser expulsados ​​simultáneamente del objetivo como un diprotón, que rápidamente se descompuso en dos protones. También se ha observado una reacción similar a partir de núcleos de ^{8 He que chocan con hidrógeno. [ 23 ]}

Bajo la influencia de interacciones electromagnéticas , las primitivas de Jaffe-Low ^[24] pueden abandonar el corte unitario, creando resonancias estrechas de dos nucleones, como una resonancia de diprotones con una masa de 2000 MeV y un ancho de unos pocos cientos de keV. ^[25] Para buscar esta resonancia, se requiere un haz de protones con energía cinética de 250 MeV y una dispersión de energía por debajo de 100 keV, lo que es factible considerando el enfriamiento electrónico del haz.

² Es un intermediario en el primer paso de la cadena protón-protón . El primer paso de la cadena protón-protón es un proceso de dos etapas: primero, dos protones se fusionan para formar un diprotón:

^1H + ^1H +1,25  MeV → ² He;

Entonces el diprotón inmediatamente beta-plus se desintegra en deuterio :

² He → ² H + e ⁺ + ν _e +1,67 MeV ;

con la fórmula general

^1H + ^1H → ^2H + e ⁺ + ν _e 0,42 MeV .

Se ha investigado el efecto hipotético de un diprotón ligado en el Big Bang y la nucleosíntesis estelar . ^[18] Algunos modelos sugieren que las variaciones en la fuerza fuerte que permiten un diprotón ligado permitirían la conversión de todo el hidrógeno primordial en helio en el Big Bang, lo que sería catastrófico para el desarrollo de las estrellas y la vida. Esta noción es un ejemplo del principio antrópico . Sin embargo, un estudio de 2009 sugiere que no se puede llegar a tal conclusión, ya que el diprotón formado todavía se desintegraría en deuterio, cuya energía de enlace también aumentaría. En algunos escenarios, se postula que el hidrógeno (en forma de ² H) todavía podría sobrevivir en grandes cantidades, refutando los argumentos de que la fuerza fuerte está ajustada dentro de un límite antrópico preciso. ^[26]

³ He es el único isótopo estable aparte del ¹ H con más protones que neutrones. (Hay muchos isótopos inestables de este tipo; los más ligeros son ^{el 7} Be y ^{el 8} B). Solo hay un rastro (~2 ppm) ^[16] de ³ He en la Tierra, presente principalmente desde la formación de la Tierra, aunque algo cae a la Tierra atrapado en el polvo cósmico. ^[7] También se producen cantidades traza por la desintegración beta del tritio . ^[27] Sin embargo, en las estrellas , ^{el 3} He es más abundante, un producto de la fusión nuclear . El material extraplanetario, como el regolito lunar y de asteroides , tiene rastros de ³ He del bombardeo del viento solar .

Para volverse superfluido , ^el 3He debe enfriarse a 2,5 milikelvin , aproximadamente 900 veces menos que ^el 4He (2,17 K ). Esta diferencia se explica por la estadística cuántica : ³ átomos de He son fermiones , mientras que ⁴ átomos de He son bosones , que se condensan en un superfluido más fácilmente.

El isótopo más común, ^{el 4} He, se produce en la Tierra por desintegración alfa de elementos más pesados; las partículas alfa que surgen son núcleos de ⁴ He totalmente ionizados. ^{El 4} He es un núcleo inusualmente estable porque es doblemente mágico . Se formó en enormes cantidades en la nucleosíntesis del Big Bang .

El helio terrestre se compone casi exclusivamente (todo menos ~2 ppm) ^[16] de ⁴ He. El punto de ebullición del ^{4 He es}4,2 K es la más baja de todas las sustancias conocidas, excepto ³ He. Cuando se enfría aún más a2,17 K , se convierte en un superfluido único con viscosidad cero . Se solidifica solo a presiones superiores a 25 atmósferas, donde se funde a0,95 kilos .

Aunque todos los isótopos más pesados ​​del helio se desintegran con una vida media de <1 segundo , se han utilizado colisiones en aceleradores de partículas para crear núcleos inusuales de elementos como el helio, el litio y el nitrógeno . Las estructuras nucleares inusuales de dichos isótopos pueden ofrecer información sobre las propiedades aisladas de los neutrones y la física más allá del Modelo Estándar . ^{[28] [29]}

El isótopo de vida más corta es ^{el 10} He, con una vida media de ~260 yoctosegundos. El ⁶ He se desintegra en beta con una vida media de 807 milisegundos. El isótopo pesado de helio más estudiado es ^{el 8} He. Se cree que el ⁸ He y ^{el 6} He consisten en un núcleo normal ^{de 4} He rodeado por un "halo" de neutrones (de dos neutrones en ^{el 6} He y cuatro neutrones en ^{el 8} He). Los núcleos con halo se han convertido en un área de intensa investigación. Se han confirmado isótopos de hasta ¹⁰ He, con dos protones y ocho neutrones. ^{El 10} He, a pesar de ser un isótopo doblemente mágico , no está ligado a partículas y gotea casi instantáneamente dos neutrones . ^[30]

• Tablas generales: resúmenes de helio y otros núcleos ligeros exóticos