Hélio-4 - Helium-4
Em geral | |
---|---|
Símbolo | 4 ele |
Nomes | hélio-4, He-4 |
Prótons | 2 |
Nêutrons | 2 |
Dados de nuclídeo | |
Abundância natural | 99,999863% |
Meia-vida | estábulo |
Massa isotópica | 4,002603254 u |
Rodar | 0 |
Energia de ligação | 28295,7 keV |
Isótopos de hélio Tabela completa de nuclídeos |
Helium-4 (4
Ele
) é um isótopo estável do elemento hélio . É de longe o mais abundante dos dois isótopos naturais de hélio, constituindo cerca de 99,99986% do hélio na Terra. Seu núcleo é idêntico a uma partícula alfa e consiste em dois prótons e dois nêutrons .
A decadência alfa de elementos pesados na crosta terrestre é a fonte da maior parte do hélio-4 que ocorre naturalmente na Terra, produzido depois que o planeta esfriou e solidificou. Embora também seja produzido por fusão nuclear nas estrelas , acredita-se que a maior parte do hélio-4 no Sol e no universo tenha sido produzida pelo Big Bang e é referido como " hélio primordial ". No entanto, o hélio-4 primordial está amplamente ausente da Terra, tendo escapado durante a fase de alta temperatura da formação da Terra.
O hélio-4 constitui cerca de um quarto da matéria comum no universo em massa, com quase todo o restante sendo hidrogênio .
Quando o hélio-4 líquido é resfriado abaixo de 2,17 kelvin (−271,17 ° C), ele se torna um superfluido , com propriedades muito diferentes das de um líquido comum. Por exemplo, se o superfluido hélio-4 for mantido em um recipiente aberto, uma película fina irá subir pelas laterais do recipiente e transbordar. Neste estado e situação, é denominado " filme Rollin ". Este estranho comportamento é resultado da relação Clausius-Clapeyron e não pode ser explicado pelo modelo atual da mecânica clássica , nem por modelos nucleares ou elétricos - só pode ser entendido como um fenômeno da mecânica quântica . O spin total do núcleo do hélio-4 é um inteiro (zero) e, portanto, é um bóson (assim como os átomos neutros do hélio-4). O comportamento do superfluido é agora entendido como uma manifestação da condensação de Bose-Einstein , que ocorre apenas com coleções de bósons.
É teorizado que a 0,2 K e 50 atm, o hélio-4 sólido pode ser um supervidro (um sólido amorfo exibindo superfluidez ).
Hélio-4 também existe na Lua e - como na Terra - é o isótopo de hélio mais abundante.
O átomo de hélio-4
O átomo de hélio é o segundo átomo mais simples (hidrogênio é o mais simples), mas o elétron extra introduz um terceiro "corpo", então a solução para sua equação de onda torna-se um " problema de três corpos ", que não tem solução analítica. No entanto, as aproximações numéricas das equações da mecânica quântica forneceram uma boa estimativa das principais propriedades atômicas do hélio-4 , como seu tamanho e energia de ionização .
O tamanho do núcleo 4 He é conhecido há muito tempo pela ordem de magnitude de 1 fm . Em um experimento envolvendo o uso de átomos de hélio exóticos, onde um elétron atômico foi substituído por um múon , o tamanho do núcleo foi estimado em 1,67824 (83) fm.
Estabilidade do núcleo 4 He e camada de elétrons
O núcleo do átomo de hélio-4 é idêntico a uma partícula alfa . Experimentos de espalhamento de elétrons de alta energia mostram que sua carga diminui exponencialmente a partir de um máximo em um ponto central, exatamente como faz a densidade de carga da própria nuvem de elétrons do hélio . Esta simetria reflete a física subjacente semelhante: o par de nêutrons e o par de prótons no núcleo do hélio obedecem às mesmas regras da mecânica quântica que o par de elétrons do hélio (embora as partículas nucleares estejam sujeitas a um potencial de ligação nuclear diferente), de modo que todos estes os férmions ocupam totalmente os orbitais 1s em pares, nenhum deles possuindo momento angular orbital, e cada um cancelando o spin intrínseco do outro. Adicionar outra de qualquer uma dessas partículas exigiria momento angular e liberaria substancialmente menos energia (na verdade, nenhum núcleo com cinco núcleos é estável). Esse arranjo é, portanto, energeticamente extremamente estável para todas essas partículas, e essa estabilidade é responsável por muitos fatos cruciais com relação ao hélio na natureza.
Por exemplo, a estabilidade e a baixa energia da nuvem de elétrons do hélio causa a inércia química do hélio (o mais extremo de todos os elementos), e também a falta de interação dos átomos de hélio entre si (produzindo os menores pontos de fusão e ebulição de todos os elementos).
De maneira semelhante, a estabilidade energética particular do núcleo do hélio-4, produzida por efeitos semelhantes, é responsável pela facilidade de produção do hélio-4 em reações atômicas envolvendo tanto a emissão de partículas pesadas quanto a fusão. Algum hélio-3 estável é produzido em reações de fusão do hidrogênio, mas é uma fração muito pequena, em comparação com a produção altamente favorável do hélio-4 do ponto de vista energético. A estabilidade do hélio-4 é a razão pela qual o hidrogênio é convertido em hélio-4, e não deutério (hidrogênio-2) ou hélio-3 ou outros elementos mais pesados durante as reações de fusão no sol. Também é parcialmente responsável pelo fato da partícula alfa ser de longe o tipo mais comum de partícula bariônica a ser ejetada de um núcleo atômico; em outras palavras, o decaimento alfa é muito mais comum do que o decaimento do cluster .
A estabilidade incomum do núcleo do hélio-4 também é importante cosmologicamente. Isso explica o fato de que, nos primeiros minutos após o Big Bang , como a "sopa" de prótons e nêutrons livres que inicialmente haviam sido criados em uma proporção de cerca de 6: 1, resfriou-se ao ponto em que a ligação nuclear era possível, quase todos núcleos atômicos para formar foram núcleos de hélio-4. A ligação dos núcleos no hélio-4 é tão forte que sua produção consumiu quase todos os nêutrons livres em poucos minutos, antes que pudessem decair beta, e deixou muito poucos para formar átomos mais pesados (especialmente lítio , berílio e boro ). A energia de ligação nuclear do hélio-4 por núcleo é mais forte do que em qualquer um desses elementos (ver nucleogênese e energia de ligação ) e, portanto, nenhum "impulso" energético estava disponível para fazer os elementos 3, 4 e 5 uma vez que o hélio foi formado. Quase não é energeticamente favorável para o hélio se fundir no próximo elemento com uma energia mais alta por núcleo (carbono). No entanto, devido à raridade dos elementos intermediários e à extrema instabilidade do berílio-8 (o produto quando dois núcleos de 4 He se fundem), esse processo precisa de três núcleos de hélio que se chocam quase simultaneamente (ver processo triplo alfa ). Portanto, não houve tempo para a formação de carbono significativo nos poucos minutos após o Big Bang, antes que o universo em expansão inicial resfriasse à temperatura e à pressão em que a fusão do hélio ao carbono não era mais possível. Isso deixou o universo inicial com uma razão hidrogênio-hélio muito semelhante à observada hoje (3 partes de hidrogênio para 1 parte de hélio-4 em massa), com quase todos os nêutrons do universo presos no hélio-4.
Todos os elementos mais pesados - incluindo aqueles necessários para planetas rochosos como a Terra e para vida baseada em carbono ou outra - tiveram que ser produzidos, desde o Big Bang, em estrelas que eram quentes o suficiente para fundir elementos mais pesados que o hidrogênio. Todos os elementos, exceto hidrogênio e hélio, hoje respondem por apenas 2% da massa da matéria atômica do universo. O hélio-4, em contraste, constitui cerca de 23% da matéria comum do universo - quase toda a matéria comum que não é hidrogênio ( 1 H).
Veja também
Referências
links externos
- Propriedades interativas do Superfluid Helium-4
-
Tur, Clarisse (2009), "DEPENDENCE OF S-PROCESS NUCLEOSYNTHESIS IN MASSIVE STARS ON TRIPLE-ALPHA AND 12
C
(α, γ)16
O
INCERTEZAS DA TAXA DE REAÇÃO ", The Astrophysical Journal , 702 , arXiv : 0809.0291 , Bibcode : 2009ApJ ... 702.1068T , doi : 10.1088 / 0004-637x / 702/2/1068