Изотопы гелия - NiNa.Az

Изото́пы ге́лия — разновидности атомов (и ядер) химического элемента гелия, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Всего известно на данный момент времени 9 изотопов, но только два из них стабильны. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: ⁴He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого ³He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах). Самым долгоживущим радиоизотопом является ⁶He с периодом полураспада 807 миллисекунд.

Происхождение

Гелий в атмосфере, почти весь состоящий из тяжёлого нуклида He⁴, является продуктом α-распада тяжёлых радиоактивных элементов (урана, радия, тория, актиния), лишь незначительная его часть является реликтовой (то есть захваченной миллиарды лет назад уплотнявшейся космической пылью, из которой образовалась Земля). Скорость образования гелия ничтожна и составляет около 1,16⋅10⁻⁷ см³ на 1 г U и 2,43⋅10⁻⁸ см³ на 1 г Th в год. Одна тонна связанного в минералах урана испускает за год всего 0,12 см³ гелия. Этот процесс ежегодно накапливает в доступных изучению толщах Земли и вод (25-28)⋅10⁶ м³ газа.

Содержание ³He в выделенном из атмосферы гелии ничтожно мало, отношение ³He/⁴He для воздуха равно 1,1⋅10⁻⁶, а для гелия из природных газов 1,4⋅10⁻⁷. Установлено, что ³He получается в результате β-распада тяжёлого нуклида водорода — трития, который образуется в ряде ядерных реакций в земной коре и верхних слоях атмосферы. В последних тритий возникает при обстреле азота нейтронами космического излучения:

${\displaystyle \mathrm {{}_{7}^{14}N} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} \rightarrow \mathrm {{}_{1}^{3}T} +\mathrm {{}_{6}^{12}C} .}$

Тритий с периодом полураспада (T_1/2=12,46 лет) превращается в ³He:

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{3}T} \rightarrow \mathrm {{}_{2}^{3}He} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}$

Звёздный гелий (гелий Вселенной) — продукт термоядерной реакции синтеза ядер водорода, протекающей на Солнце и звездах по протон-протонному и углеродно-азотному циклам.

Известны ещё шесть радиоактивных изотопов гелия, являющихся продуктами искусственных ядерных реакций. Так, например, нуклид ⁶He был получен при бомбардировке бериллия нейтронами:

${\displaystyle \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} \rightarrow \mathrm {{}_{2}^{6}He} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} .}$

Таблица изотопов гелия

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа (а. е. м.)	Период полураспада (T1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
	Энергия возбуждения
2 He	2	0	2,015894 ± (2)	< 10^−9 с	p (>99.99%)	2 1 H	0+#
					β^+ (<0.01%)	2 H
3 He	2	1	3,016029321967 ± (60)	стабилен			1/2+	0,000002 ± (2)
4 He	2	2	4,002603254130 ± (158)	стабилен			0+	0,999998 ± (2)
5 He	2	3	5,012057 ± (21)	(602 ± (22))⋅10^−24 с [759 ± (28) кэВ]	n	4 He	3/2−
6 He	2	4	6,01888589 ± (6)	806,92 ± (24) мс	β^− (99,999722 ± (18)%)	6 Li	0+
					β^−, деление (0,000278 ± (18)%)	4 He, 2 H
7 He	2	5	7,027991 ± (8)	(2,51 ± (7))⋅10^−21 с [181,9 ± (5,1) кэВ]	n	6 He	(3/2)−
8 He	2	6	8,03393439 ± (10)	119,5 ± (1,5) мс	β^− (83,1 ± (1,0)%)	8 Li	0+
					β^−,n (16 ± (1)%)	7 Li
					β^−, деление (0,9 ± (1)%)	5 He, 3 H
9 He	2	7	9,043950 ± (50)	(2,5 ± (2,3))⋅10^−21 с	n	8 He	1/2(+)
10 He	2	8	10,05282 ± (10)	(260 ± (40))⋅10^−24 с [1,8 ± (3) МэВ]	2n	8 He	0+

Пояснения к таблице

• Распространённость изотопов приведена для земной атмосферы. Для других источников значения могут сильно отличаться.

• Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада.

• Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

• Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания

1. Фастовский В. Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю. В. Глава первая. Открытие. Происхождение. Распространенность. Применение // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Атомиздат, 1972. — С. 3—13. — 352 с. — 2400 экз.
2. Финкельштейн Д. Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // [web.archive.org/web/20120905111329/publ.lib.ru/ARCHIVES/F/FINKEL'SHTEYN_David_Naumovich/_Finkel'shteyn_D.N..html Инертные газы]. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 76—110. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
3. Данные приведены по Huang W. J., Meng Wang, Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data, and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 43, iss. 3. — P. 030002-1—030002-342. — doi:10.1088/1674-1137/abddb0.
4. Данные приведены по Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // . — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
5. Schewe, Phil (29 мая 2008). New Form of Artificial Radioactivity. Physics News Update (865 #2). Архивировано из оригинала на 14 октября 2008.
6. Atomic Weight of Helium  (неопр.). CIAAW. Дата обращения: 6 октября 2021. Архивировано 25 октября 2021 года.