Кіріспе

Гелий-4 (гелий-4) – гелий элементінің тұрақты изотопы. Бұл гелийдің табиғатта кездесетін екі изотопының ішінде ең көп таралғаны, Жердегі гелийдің шамамен 99,99986% құрайды. Оның ядросы альфа бөлшегімен сәйкес келеді және екі протон мен екі нейтроннан тұрады. Жер қыртысындағы ауыр элементтердің альфа-ыдырауы планета суынып, қаттыланғаннан кейін пайда болған Жер бетіндегі гелий-4-тің табиғи жолмен түзілуіне себепші. Бұл сонымен қатар жұлдыздардағы ядролық синтез арқылы да өндіріледі, ал Күн мен ғаламдағы гелийдің көп бөлігі Ұлы жарылыс кезінде пайда болған деп есептеледі және «алғашқы гелий» деп аталады. Дегенмен, бастапқы гелий-4 Жерде аз, себебі ол Жердің қалыптасу кезеңіндегі жоғары температурада буланып кеткен. Гелий-4 масса бойынша ғаламдағы қарапайым материяның шамамен бір төртінші бөлігін құрайды, ал қалғанының басым бөлігі сутегі. Сұйық гелий-4 төмен температураға дейін салқындатылғанда, ол суперсұйықтыққа айналады, оның қасиеттері кәдімгі сұйықтықтан мүлдем өзгеше. Мысалы, егер суперсұйық гелий-4 ашық ыдыста сақталса, онда жұқа пленка ыдыстың қабырғаларына көтеріліп, асып толады. Осы жағдайда ол «Роллин пленкасы» деп аталады. Бұл ерекше мінез-құлық Клаузиус-Клаперон қатынасымен түсіндіріледі және оны классикалық механиканың қазіргі моделімен, сондай-ақ ядролық немесе электрлік күштермен түсіндіру мүмкін емес, тек кванттық механикалық құбылыс ретінде ғана қарастырылуы мүмкін. Гелий-4 ядросының жалпы спині – бүтін сан (нөл), сондықтан ол бозон (гелий-4-тің бейтарап атомдары сияқты). Суперсұйықтық мінез-құлық енді Бозе-Эйнштейн конденсациясының көрінісі деп түсіндіріледі, ол тек бозондар жиынтығында ғана пайда болады. Теория бойынша, 0,2 К және 50 атм қысымда қатты гелий-4 суперәйнек болуы мүмкін (суперсұйықтық көрсететін аморфты қатты дене). Гелий-4 Ай бетінде де бар, себебі ол онда гелийдің ең көп таралған изотопы болып табылады.

Гелий-4 атомы

Гелий атомы екінші ең қарапайым атом (сутек ең қарапайымы), бірақ қосымша электрон үшінші "дене" енгізеді, сондықтан оның толқын теңдеуі "үш дене проблемасы" болады, оның аналитикалық шешімі жоқ. Дегенмен, кванттық механика теңдеулерінің сандық жуықтауы гелий-4-тің маңызды атомдық қасиеттерін, мысалы, оның мөлшерін және иондалу энергиясын жақсы бағалайды. 4He ядросының мөлшері 1 фм шамасында екені бұрыннан мәлім. Атомдық электроны мюонмен алмастырылған экзотикалық гелий атомдарын қолданатын экспериментте ядроның мөлшері 1.67824(83) фм деп есептелді.

4He ядросының және электрон қабығының тұрақтылығы

Гелий-4 атомның ядросында екі рет еселік сиқырлық деп аталатын тұрақтылық бар. Жоғары энергиялы электронды шашырату эксперименттері оның зарядының орталық нүктедегі максимумнан экспоненциалды түрде төмендеуін көрсетеді, гелийдің электрондық бұлтының заряд тығыздығы сияқты. Бұл симметрия ұқсас физикалық принциптерді көрсетеді: гелий ядросындағы нейтрондар және протондар жұбы гелийдің электрондары жұбы сияқты кванттық механикалық ережелерге бағынады (бірақ ядролық бөлшектер әртүрлі ядролық байланысу потенциалына ие), сондықтан бұл фермиондар 1s орбитальдарын жұптап толыққанды түрде иеленеді, олардың ешқайсысының орбитальді бұрыштық импульсі жоқ және әрқайсысы екіншісінің ішкі спинін жояды. Осы бөлшектердің кез келгенін қосу бұрыштық импульсты қажет етеді және энергияны едәуір азайтады (әрине, бес нуклоны бар ядро тұрақты емес). Осылайша, бұл құрылым барлық осы бөлшектер үшін өте тұрақты, және бұл тұрақтылық табиғаттағы гелийге қатысты көптеген маңызды фактілерді анықтайды. Мысалы, гелийдің электрондық бұлтының тұрақтылығы мен төмен энергиясы гелийдің химиялық инерттілігін (барлық элементтердің ең жоғарысы) және гелий атомдарының бір-бірімен өзара әрекеттеспеуін (барлық элементтердің ең төмен балқу және қайнау нүктелерін тудырады) анықтайды. Осыған ұқсас, гелий-4 ядросының ерекше энергетикалық тұрақтылығы, ұқсас әсерлер арқылы туындайды, гелий-4 өндірісінің ауыр бөлшектердің эмиссиясы және синтезіне қатысты атомдық реакциялардағы оңайлығын қамтамасыз етеді. Гидрогеннен синтез реакцияларында тұрақты гелий-3 өндіріледі, бірақ бұл гелий-4 өндірісімен салыстырғанда өте аз көлемде болады. Гелий-4 тұрақтылығы – сутегінің гелий-4-ке айналуының себебі, ал деутерийге (сутегі-2) немесе гелий-3-ке немесе басқа ауыр элементтерге Күндегі синтез реакциялары кезінде айналуы мүмкін емес. Бұл сонымен қатар альфа бөлшегінің атом ядросынан шығарылатын бариондық бөлшектердің ең көп таралған түрі болуына да жауапты; яғни, альфа ыдырауы кластерлік ыдыраудан әлдеқайда жиі кездеседі. Гелий-4 ядросының ерекше тұрақтылығы космологиялық тұрғыдан да маңызды. Бұл Үлкен жарылыстан кейінгі алғашқы бірнеше минутта, бастапқыда шамамен 6:1 қатынасында құрылған еркін протон және нейтрондардың "қоспасы" ядролық байланысқа мүмкіндік беретін деңгейге дейін суытылған кезде, пайда болған барлық атом ядролары гелий-4 ядролары болды. Гелий-4 ядроларының байланысы соншалықты тығыз, оның өндірісі бета-бөлініс пайда болмай тұрып, бірнеше минут ішінде барлық еркін нейтрондарды жұтып қойды және ауыр атомдардың (әсіресе литий, бериллий және бор) пайда болуына өте аз мөлшерде мүмкіндік берді. Гелий-4 ядросының байланыс энергиясы осы элементтердің кез келгенінен күштірек (нуклеогенез және байланыс энергиясын қараңыз), сондықтан гелий пайда болғаннан кейін 3, 4 және 5 элементтерін жасауға ешқандай энергетикалық "итерация" болған жоқ. Гелийдің ядроға қосылуымен жоғары энергиялы элементке (көміртекке) қосылуы энергетикалық тұрғыдан тиімді емес. Алайда аралық элементтердің сирек кездесетіндігіне және бериллий-8-дің (екі 4He ядросы біріккен кезде пайда болатын өнім) өте тұрақсыздығына байланысты, бұл процеске үш гелий ядросының бір-біріне дерлік бір уақытта соқтығысуы қажет (үш альфа процесін қараңыз). Сондықтан, Үлкен жарылыстан кейінгі бірнеше минутта, ғаламның кеңейіп бара жатқан кезінде, гелийдің көміртекке қосылуына мүмкіндік бермейтін температура мен қысымға дейін суыту алдында, көміртек пайда болуына уақыт болмады. Бұл ерте ғаламның сутегі мен гелийдің арақатынасын бүгінгі күнгідей (масса бойынша 3 сутегіге 1 гелий-4) қалдырды, ғаламдағы барлық нейтрондар 4 гелийде тұтқындалды. Осылайша, Үлкен жарылыстан бастап, сутектен ауыр элементтерді біріктіруге жеткілікті ыстық болатын жұлдыздарда, Жер сияқты тасты планеталар үшін, көміртекке негізделген немесе басқа да өмір үшін қажетті барлық ауыр элементтер өндірілуі керек болды. Сутегі мен гелийден басқа барлық элементтер бүгінде ғаламдағы атомдық материяның массасының 2% ғана құрайды. Ал гелий-4 ғаламдағы жалпы материяның 23% құрайды, яғни сутегі (1H) емес барлық материя.