Гелий-4: Свойства, происхождение и квантовые эффекты
Helium-4
Изотоп гелия-4: свойства, происхождение и распространенность. Основной изотоп гелия на Земле, образуется при распаде и в звездах, а также при Большом взрыве.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Изотоп гелия
Isotope of helium
Гелий-4 (Helium-4) — стабильный изотоп элемента гелия. Это наиболее распространенный из двух природных изотопов гелия, составляющий около 99,99986% гелия на Земле. Его ядро идентично альфа-частице и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Альфа-распад тяжелых элементов в земной коре является источником большей части природного гелия-4 на Земле, образующегося после охлаждения и затвердевания планеты. Хотя он также образуется в результате ядерного синтеза в звездах, считается, что большая часть гелия-4 в Солнце и во Вселенной была произведена во время Большого взрыва и называется «первичным гелием». Однако первичный гелий-4 в значительной степени отсутствует на Земле, поскольку он улетучился в высокотемпературную фазу формирования Земли. Гелий-4 составляет около четверти обычной материи во Вселенной по массе, а почти все остальное — водород. При охлаждении жидкого гелия-4 ниже 2,17 К он становится сверхтекучим, обладая свойствами, сильно отличающимися от свойств обычной жидкости. Например, если сверхтекучий гелий-4 поместить в открытый сосуд, тонкая пленка будет подниматься по стенкам сосуда и переливаться через край. В этом состоянии и ситуации это называется «пленкой Роллина». Это странное поведение является следствием соотношения Клаузиуса — Клапейрона и не может быть объяснено современной моделью классической механики, ядерными или электрическими взаимодействиями; его можно понять только как квантово-механическое явление. Полный спин ядра гелия-4 является целым числом (ноль), и поэтому он является бозоном (как и нейтральные атомы гелия-4). Сверхтекучее поведение теперь понимается как проявление конденсата Бозе — Эйнштейна, который возникает только при коллекциях бозонов. Предполагается, что при 0,2 К и 50 атм твердый гелий-4 может быть суперстеклом (аморфным твердым телом, проявляющим сверхтекучесть). Гелий-4 также присутствует на Луне, поскольку там он является наиболее распространенным изотопом гелия.
Helium 4 (Helium 4) is a stable isotope of the element helium. It is by far the more abundant of the two naturally occurring isotopes of helium, making up about 99.99986% of the helium on Earth. Its nucleus is identical to an alpha particle, and consists of two protons and two neutrons. Alpha decay of heavy elements in the Earth's crust is the source of most naturally occurring helium 4 on Earth, produced after the planet cooled and solidified. While it is also produced by nuclear fusion in stars, most helium 4 in the Sun and in the universe is thought to have been produced by the Big Bang, and is referred to as "primordial helium". However, primordial helium 4 is largely absent from the Earth, having escaped during the high temperature phase of Earth's formation. Helium 4 makes up about one quarter of the ordinary matter in the universe by mass, with almost all of the rest being hydrogen. When liquid helium 4 is cooled to below , it becomes a superfluid, with properties that are very unlike those of an ordinary liquid. For example, if superfluid helium 4 is kept in an open vessel, a thin film will climb up the sides of the vessel and overflow. In this state and situation, it is called a "Rollin film". This strange behavior is a result of the Clausius–Clapeyron relation and cannot be explained by the current model of classical mechanics, nor by nuclear or electrical it can only be understood as a quantum mechanical phenomenon. The total spin of the helium 4 nucleus is an integer (zero), and therefore it is a boson (as are neutral atoms of helium 4). The superfluid behavior is now understood to be a manifestation of Bose–Einstein condensation, which occurs only with collections of bosons. It is theorized that at 0.2 K and 50 atm, solid helium 4 may be a superglass (an amorphous solid exhibiting superfluidity). Helium 4 also exists on the Moon as on it is the most abundant helium isotope.
Атом гелия-4
Атом гелия — второй по простоте атом (водород — самый простой), но дополнительный электрон вводит третье "тело", поэтому его волновое уравнение превращается в "задачу трех тел", которая не имеет аналитического решения. Однако численные приближения уравнений квантовой механики позволили достаточно точно оценить ключевые атомные свойства гелия-4, такие как его размер и энергия ионизации. Размер ядра ⁴He давно известен и составляет порядка 1 фм. В эксперименте с использованием экзотических атомов гелия, где атомный электрон был заменен мюоном, размер ядра был оценен в 1,67824(83) фм.
The helium atom is the second simplest atom (hydrogen is the simplest), but the extra electron introduces a third "body", so its wave equation becomes a "three body problem", which has no analytic solution. However, numerical approximations of the equations of quantum mechanics have given a good estimate of the key atomic properties of helium 4, such as its size and ionization energy. The size of the 4He nucleus has long been known to be in the order of magnitude of 1 fm. In an experiment involving the use of exotic helium atoms where an atomic electron was replaced by a muon, the nucleus size has been estimated to be 1.67824(83) fm.
Стабильность ядра 4He и электронной оболочки
Ядро атома гелия-4 обладает типом стабильности, называемой двойной магией. Эксперименты по рассеянию электронов высокой энергии показывают, что его заряд уменьшается экспоненциально от максимума в центральной точке, точно так же, как и плотность заряда собственного электронного облака гелия. Эта симметрия отражает аналогичную фундаментальную физику: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантово-механическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены иному ядерному потенциалу связывания), так что все эти фермионы полностью занимают 1s-орбитали в парах, ни один из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый компенсирует собственный спин другого. Добавление ещё одной из этих частиц потребовало бы углового момента и высвобождало бы значительно меньше энергии (фактически, никакое ядро с пятью нуклонами не является стабильным). Таким образом, данная конфигурация энергетически чрезвычайно стабильна для всех этих частиц, и эта стабильность объясняет многие важные факты, касающиеся гелия в природе. Например, стабильность и низкая энергия электронного облака гелия обуславливают химическую инертность гелия (наиболее выраженную среди всех элементов), а также отсутствие взаимодействия атомов гелия друг с другом (что приводит к самым низким температурам плавления и кипения среди всех элементов). Аналогичным образом, особая энергетическая стабильность ядра гелия-4, обусловленная схожими эффектами, объясняет легкость образования гелия-4 в ядерных реакциях, включающих как эмиссию тяжелых частиц, так и синтез. Некоторое стабильное гелий-3 образуется в реакциях синтеза из водорода, но его количество очень мало по сравнению с высокоэнергетически выгодным образованием гелия-4. Стабильность гелия-4 является причиной того, что водород превращается в гелий-4, а не в дейтерий (водород-2) или гелий-3, или другие более тяжелые элементы в реакциях синтеза в Солнце. Она также частично объясняет, что альфа-частица является наиболее распространенным типом барионной частицы, выбрасываемой из атомного ядра; другими словами, альфа-распад гораздо более распространен, чем кластерный распад. Необычная стабильность ядра гелия-4 также важна в космологии. Она объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого взрыва, когда "суп" из свободных протонов и нейтронов, изначально образовавшихся в соотношении примерно 6:1, остыл до температуры, при которой стало возможным ядерное связывание, почти все образовавшиеся атомные ядра были ядрами гелия-4. Связывание нуклонов в гелии-4 настолько прочно, что его образование поглотило почти все свободные нейтроны за несколько минут, до того как они успели подвергнуться бета-распаду, и осталось очень мало для образования более тяжелых атомов (особенно лития, бериллия и бора). Энергия ядерного связывания гелия-4 на нуклон выше, чем у любого из этих элементов (см. нуклеогенез и энергия связывания), и, следовательно, не было энергетического "импульса" для образования элементов 3, 4 и 5 после образования гелия. Энергетически лишь в небольшой степени выгодно для гелия сливаться в следующий элемент с более высокой энергией на нуклон (углерод). Однако из-за редкости промежуточных элементов и крайней нестабильности бериллия-8 (продукт слияния двух ядер гелия-4), этот процесс требует одновременного столкновения трех ядер гелия (см. тройной альфа-процесс). Таким образом, не было времени для значительного образования углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до температуры и давления, при которых синтез гелия в углерод стал невозможен. Это привело к тому, что ранняя Вселенная имела очень похожее соотношение водорода и гелия, которое наблюдается сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), при этом почти все нейтроны во Вселенной оказались "запертыми" в гелии-4. Все более тяжелые элементы — включая те, которые необходимы для скалистых планет, таких как Земля, и для углеродной или иной жизни — должны были быть образованы после Большого взрыва в звездах, достаточно горячих для синтеза элементов тяжелее водорода. Все элементы, кроме водорода и гелия, составляют сегодня лишь около 2% массы атомной материи во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычной материи Вселенной — почти вся обычная материя, которая не является водородом (¹H).
The nucleus of the helium 4 atom has a type of stability called doubly magic. High energy electron scattering experiments show its charge to decrease exponentially from a maximum at a central point, exactly as does the charge density of helium's own electron cloud. This symmetry reflects similar underlying physics: the pair of neutrons and the pair of protons in helium's nucleus obey the same quantum mechanical rules as do helium's pair of electrons (although the nuclear particles are subject to a different nuclear binding potential), so that all these fermions fully occupy 1s orbitals in pairs, none of them possessing orbital angular momentum, and each canceling the other's intrinsic spin. Adding another of any of these particles would require angular momentum, and would release substantially less energy (in fact, no nucleus with five nucleons is stable). This arrangement is thus energetically extremely stable for all these particles, and this stability accounts for many crucial facts regarding helium in nature. For example, the stability and low energy of the electron cloud of helium causes helium's chemical inertness (the most extreme of all the elements), and also the lack of interaction of helium atoms with each other (producing the lowest melting and boiling points of all the elements). In a similar way, the particular energetic stability of the helium 4 nucleus, produced by similar effects, accounts for the ease of helium 4 production in atomic reactions involving both heavy particle emission and fusion. Some stable helium 3 is produced in fusion reactions from hydrogen, but it is a very small fraction, compared with the highly energetically favorable production of helium 4. The stability of helium 4 is the reason that hydrogen is converted to helium 4, and not deuterium (hydrogen 2) or helium 3 or other heavier elements during fusion reactions in the Sun. It is also partly responsible for the alpha particle being by far the most common type of baryonic particle to be ejected from an atomic nucleus; in other words, alpha decay is far more common than cluster decay. The unusual stability of the helium 4 nucleus is also important cosmologically. It explains the fact that, in the first few minutes after the Big Bang, as the "soup" of free protons and neutrons which had initially been created in about a 6:1 ratio cooled to the point where nuclear binding was possible, almost all atomic nuclei to form were helium 4 nuclei. The binding of the nucleons in helium 4 is so tight that its production consumed nearly all the free neutrons in a few minutes, before they could beta decay, and left very few to form heavier atoms (especially lithium, beryllium, and boron). The energy of helium 4 nuclear binding per nucleon is stronger than in any of those elements (see nucleogenesis and binding energy), and thus no energetic "drive" was available to make elements 3, 4, and 5 once helium had been formed. It is barely energetically favorable for helium to fuse into the next element with a higher energy per nucleon (carbon). However, due to the rarity of intermediate elements, and extreme instability of beryllium 8 (the product when two 4He nuclei fuse), this process needs three helium nuclei striking each other nearly simultaneously (see triple alpha process). There was thus no time for significant carbon to be formed in the few minutes after the Big Bang, before the early expanding universe cooled to the temperature and pressure where helium fusion to carbon was no longer possible. This left the early universe with a very similar hydrogen–helium ratio as is observed today (3 parts hydrogen to 1 part helium 4 by mass), with nearly all the neutrons in the universe trapped in helium 4. All heavier elements—including those necessary for rocky planets like the Earth, and for carbon based or other life—thus had to be produced, since the Big Bang, in stars which were hot enough to fuse elements heavier than hydrogen. All elements other than hydrogen and helium today account for only 2% of the mass of atomic matter in the universe. Helium 4, by contrast, makes up about 23% of the universe's ordinary matter—nearly all the ordinary matter that is not hydrogen (1H).