Helio-4 - Helium-4
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| General | |
|---|---|
| Símbolo | 4 él |
| Nombres | helio-4, He-4 |
| Protones | 2 |
| Neutrones | 2 |
| Datos de nucleidos | |
| Abundancia natural | 99,999863% |
| Media vida | estable |
| Masa de isótopos | 4.002603254 u |
| Girar | 0 |
| Energía de unión | 28295,7 keV |
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Isótopos de helio Tabla completa de nucleidos | |
Helio-4 (4
Él
) es un isótopo estable del elemento helio . Es, con mucho, el más abundante de los dos isótopos naturales del helio, y constituye aproximadamente el 99,99986% del helio de la Tierra. Su núcleo es idéntico a una partícula alfa y consta de dos protones y dos neutrones .
La desintegración alfa de los elementos pesados en la corteza terrestre es la fuente de la mayor parte del helio-4 que se produce naturalmente en la Tierra, producido después de que el planeta se enfrió y solidificó. Si bien también se produce por fusión nuclear en las estrellas , se cree que la mayor parte del helio-4 en el Sol y en el universo fue producido por el Big Bang , y se lo conoce como " helio primordial ". Sin embargo, el helio-4 primordial está en gran parte ausente de la Tierra, habiendo escapado durante la fase de alta temperatura de la formación de la Tierra.
El helio-4 constituye aproximadamente una cuarta parte de la materia ordinaria del universo en masa, y casi todo el resto es hidrógeno .
Cuando el helio-4 líquido se enfría por debajo de 2,17 kelvin (-271,17 ° C), se convierte en un superfluido , con propiedades muy diferentes a las de un líquido ordinario. Por ejemplo, si el superfluido helio-4 se mantiene en un recipiente abierto, una película delgada trepará por los lados del recipiente y se desbordará. En este estado y situación, se denomina " película de Rollin ". Este extraño comportamiento es el resultado de la relación Clausius-Clapeyron y no puede ser explicado por el modelo actual de mecánica clásica , ni por modelos nucleares o eléctricos , solo puede entenderse como un fenómeno mecánico-cuántico . El giro total del núcleo de helio-4 es un número entero (cero) y, por lo tanto, es un bosón (al igual que los átomos neutros del helio-4). Ahora se entiende que el comportamiento de los superfluidos es una manifestación de la condensación de Bose-Einstein , que ocurre solo con colecciones de bosones.
Se teoriza que a 0,2 K y 50 atm, el helio-4 sólido puede ser un supervidrio (un sólido amorfo que exhibe superfluidez ).
El helio-4 también existe en la Luna y, como en la Tierra, es el isótopo de helio más abundante.
El átomo de helio-4
El átomo de helio es el segundo átomo más simple (el hidrógeno es el más simple), pero el electrón extra introduce un tercer "cuerpo", por lo que la solución a su ecuación de onda se convierte en un " problema de tres cuerpos ", que no tiene solución analítica. Sin embargo, las aproximaciones numéricas de las ecuaciones de la mecánica cuántica han dado una buena estimación de las propiedades atómicas clave del helio-4 , como su tamaño y energía de ionización .
Se sabe desde hace mucho tiempo que el tamaño del núcleo de 4 He es del orden de magnitud de 1 fm . En un experimento que involucró el uso de átomos de helio exóticos donde un electrón atómico fue reemplazado por un muón , el tamaño del núcleo se estimó en 1.67824 (83) fm.
Estabilidad del núcleo de 4 He y la capa de electrones
El núcleo del átomo de helio-4 es idéntico a una partícula alfa . Los experimentos de dispersión de electrones de alta energía muestran que su carga disminuye exponencialmente desde un máximo en un punto central, exactamente como lo hace la densidad de carga de la propia nube de electrones del helio . Esta simetría refleja una física subyacente similar: el par de neutrones y el par de protones en el núcleo del helio obedecen las mismas reglas de la mecánica cuántica que el par de electrones del helio (aunque las partículas nucleares están sujetas a un potencial de unión nuclear diferente), de modo que todos estos los fermiones ocupan completamente los orbitales 1s en pares, ninguno de ellos posee momento angular orbital y cada uno cancela el giro intrínseco del otro. Agregar otra de cualquiera de estas partículas requeriría un momento angular y liberaría sustancialmente menos energía (de hecho, ningún núcleo con cinco nucleones es estable). Por lo tanto, esta disposición es energéticamente extremadamente estable para todas estas partículas, y esta estabilidad explica muchos hechos cruciales con respecto al helio en la naturaleza.
Por ejemplo, la estabilidad y baja energía de la nube de electrones del helio causa la inercia química del helio (el más extremo de todos los elementos), y también la falta de interacción de los átomos de helio entre sí (produciendo los puntos de fusión y ebullición más bajos de todos). los elementos).
De manera similar, la estabilidad energética particular del núcleo de helio-4, producida por efectos similares, explica la facilidad de producción de helio-4 en reacciones atómicas que involucran tanto la emisión de partículas pesadas como la fusión. Se produce algo de helio-3 estable en reacciones de fusión a partir del hidrógeno, pero es una fracción muy pequeña, en comparación con la producción altamente favorable desde el punto de vista energético del helio-4. La estabilidad del helio-4 es la razón por la que el hidrógeno se convierte en helio-4 y no en deuterio (hidrógeno-2) o helio-3 u otros elementos más pesados durante las reacciones de fusión en el sol. También es en parte responsable de que la partícula alfa sea, con mucho, el tipo más común de partícula bariónica que se expulsa de un núcleo atómico; en otras palabras, la desintegración alfa es mucho más común que la desintegración de grupos .
La inusual estabilidad del núcleo de helio-4 también es importante cosmológicamente. Explica el hecho de que, en los primeros minutos después del Big Bang , a medida que la "sopa" de protones y neutrones libres que se había creado inicialmente en una proporción aproximada de 6: 1 se enfrió hasta el punto en que fue posible la unión nuclear, casi todos Los núcleos atómicos que se formaron fueron núcleos de helio-4. La unión de los nucleones en helio-4 es tan fuerte que su producción consumió casi todos los neutrones libres en unos pocos minutos, antes de que pudieran desintegrarse beta, y dejó muy pocos para formar átomos más pesados (especialmente litio , berilio y boro ). La energía de la unión nuclear de helio-4 por nucleón es más fuerte que en cualquiera de esos elementos (ver nucleogénesis y energía de unión ) y, por lo tanto, no se disponía de un "impulso" energético para producir los elementos 3, 4 y 5 una vez que se había formado el helio. Es apenas energéticamente favorable que el helio se fusione en el siguiente elemento con una energía más alta por nucleón (carbono). Sin embargo, debido a la rareza de los elementos intermedios y la extrema inestabilidad del berilio-8 (el producto cuando dos núcleos de 4 He se fusionan), este proceso necesita tres núcleos de helio que chocan entre sí casi simultáneamente (ver proceso triple alfa ). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara carbono significativo en los pocos minutos posteriores al Big Bang, antes de que el universo en expansión inicial se enfriara a la temperatura y presión en las que la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una relación hidrógeno-helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4.
Todos los elementos más pesados, incluidos los necesarios para planetas rocosos como la Tierra, y para la vida basada en el carbono o de otro tipo, tuvieron que producirse, desde el Big Bang, en estrellas lo suficientemente calientes como para fusionar elementos más pesados que el hidrógeno. Todos los elementos, excepto el hidrógeno y el helio, representan hoy solo el 2% de la masa de materia atómica del universo. El helio-4, por el contrario, constituye aproximadamente el 23% de la materia ordinaria del universo, casi toda la materia ordinaria que no es hidrógeno ( 1 H).
Ver también
Referencias
enlaces externos
- Propiedades interactivas del superfluido helio-4
-
Tur, Clarisse (2009), "DEPENDENCIA DE NUCLEOSÍNTESIS DE S-PROCESO EN ESTRELLAS MASIVAS EN TRIPLE-ALFA Y 12
C
(α, γ)dieciséis
O
INCERTIDUMBRES DE LA TASA DE REACCIÓN ", The Astrophysical Journal , 702 , arXiv : 0809.0291 , Bibcode : 2009ApJ ... 702.1068T , doi : 10.1088 / 0004-637x / 702/2/1068