헬륨 동위 원소

헬륨(₂He)은 9개의 알려진 동위 원소를 가지고 있지만, 헬륨-3(³He)과 헬륨-4(⁴He)만이 안정하다. 모든 방사성 동위 원소는 수명이 짧으며, 입자로 결합된 핵종은 반감기가 806.9밀리초와 119.5밀리초인 ⁶He과 ⁸He뿐이다.

헬륨의 동위 원소 (₂He)

주요 동위 원소[1] 붕괴 동위 원소 존재비 반감기 (t1/2) 방식 생성물 3He 0.0002% 안정 4He 99.9998% 안정
표준 원자량 Ar°(He)
	4.002602±0.000002[2] 4.0026±0.0001 (약식)[3]
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지구 대기 중 ³He 대 ⁴He의 비율은 1.37×10⁻⁶이다. 그 외 보통 헬륨의 동위 원소 존재비는 그 기원에 따라 크게 달라지지만 헬륨-4는 항상 훨씬 더 많다. 국부 성간 구름에서 ³He 대 ⁴He의 비율은 1.62(29)×10⁻⁴로,^[4] 이는 지구 대기보다 약 120배 높다. 지구 지각의 암석은 동위 원소 비율이 최대 10배까지 다양하며, 이는 지질학에서 암석의 기원과 지구 맨틀의 조성을 조사하는 데 사용된다.^[5] 헬륨의 두 안정 동위 원소의 서로 다른 형성 과정은 다른 동위 원소 존재비를 생성한다.

0.8 K 이하의 액체 ³He와 ⁴He의 등량 혼합물은 양자 통계의 차이로 인해 두 개의 섞이지 않는 상으로 분리된다. ⁴He 원자는 보손이고 ³He 원자는 페르미온이기 때문이다.^[6] 희석냉동기는 이 두 동위 원소의 섞이지 않는 특성을 활용하여 몇 밀리켈빈만큼 낮은 온도로 냉각시킨다.

두 동위 원소의 혼합물은 자발적으로 ³He가 풍부한 영역과 ⁴He가 풍부한 영역으로 분리된다.^[7] 상 분리는 초저온 기체 시스템에서도 존재한다.^[8] 이는 두 성분 초저온 페르미 기체의 경우 실험적으로 입증되었다.^[9][10] 상 분리는 소용돌이 격자 형성이나 이국적인 풀데-페렐-라킨-오브치니코프 상과 같은 다른 현상과 경쟁할 수 있다.^[11]

동위 원소 목록

핵종	Z	N	동위 원소 질량 (Da)[12] [n 1]	반감기[1] [공명 너비]	붕괴 방식[1] [n 2]	붕괴 동위 원소 [n 3]	스핀과 반전성[1] [n 4][n 5]	자연 존재비 (몰 분율)
								일반적인 비율[1]	변동 범위
2He[n 6]	2	0	2.015894(2)	≪ 10−9 s[13]	p (> 99.99%)	1H	0+#
					β+ (< 0.01%)	2H
3He[n 6][n 7][n 8]	2	1	3.016029321967(60)	안정			1/2+	0.000002(2)	[4.6×10−10, 0.000041][14]
4He[n 7][n 9]	2	2	4.002603254130(158)	안정			0+	0.999998(2)	[0.999959, 1.000000][14]
5He	2	3	5.012057(21)	6.02(22)×10−22 s [758(28) keV]	n	4He	3/2−
6He[n 10]	2	4	6.018885889(57)	806.92(24) ms	β− (99.999722(18)%)	6Li	0+
					β−d[n 11] (0.000278(18)%)	4He
7He	2	5	7.027991(8)	2.51(7)×10−21 s [182(5) keV]	n	6He	(3/2)−
8He[n 12]	2	6	8.033934388(95)	119.5(1.5) ms	β− (83.1(1.0)%)	8Li	0+
					β−n (16(1)%)	7Li
					β−t[n 13] (0.9(1)%)	5He
9He	2	7	9.043946(50)	2.5(2.3)×10−21 s	n	8 He	1/2(+)
10He	2	8	10.05281531(10)	2.60(40)×10−22 s [1.76(27) MeV]	2n	8He	0+
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1. ( ) – 불확도(1σ)는 해당 마지막 숫자 뒤에 괄호로 간결하게 표시된다.
2. 붕괴 방식:

   n:	중성자 방출
   p:	양성자 방출

3. 딸 핵종으로 굵은 기호 – 딸 핵종이 안정하다.
4. ( ) 스핀 값 – 할당 인수가 약한 스핀을 나타낸다.
5. # – #로 표시된 값은 순수한 실험 데이터에서 유도된 것이 아니라, 적어도 부분적으로는 이웃 핵종(TNN)의 경향에서 파생되었다.
6. Intermediate in the 양성자-양성자 연쇄 반응
7. Produced in 대폭발 핵합성
8. This and ¹H are the only stable nuclei with more protons than neutrons
9. Produced in 알파 붕괴
10. Has 2 헤일로 중성자
11. d: 중수소 방출
12. Has 4 헤일로 중성자
13. t: 삼중양자 방출

헬륨-2 (다이양성자)

헬륨-2, ²He는 극히 불안정하다. 그 핵인 쌍양성자는 중성자 없이 두 개의 양성자로 구성된다. 이론적 계산에 따르면, 강한 상호작용이 2% 더 강하다면 훨씬 더 안정적일 것이다(하지만 여전히 β⁺ 붕괴하여 중수소가 된다).^[15] 그 불안정성은 핵력의 스핀-스핀 상호작용과 주어진 양자 계 내에서 동일한 반정수 스핀(즉, 페르미온)을 가진 두 개 이상의 동일한 입자가 동시에 동일한 양자 상태를 차지할 수 없다는 파울리 배타 원리 때문이다. 따라서 ²He의 두 양성자는 스핀이 반대 방향으로 정렬되어 있고, 다이양성자 자체는 음의 결합 에너지를 가진다.^[16]

²He는 관측되었을 수도 있다. 2000년, 물리학자 연구진은 핵이 한 번에 두 개의 양성자를 방출하는 새로운 유형의 방사성 붕괴를 처음으로 관측했는데, 이는 아마도 ²He로 추정된다.^[17][18] 오크리지 국립연구소의 알프레도 갈린도-우리바리(Alfredo Galindo-Uribarri)가 이끄는 연구진은 이 발견이 강한 핵력을 이해하고 항성 핵합성에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 것이라고 발표했다. 갈린도-우리바리와 동료는 네온 동위 원소 중 양성자를 한 번에 하나씩 방출하는 것을 막는 에너지 구조를 가진 것을 선택했다. 이는 두 양성자가 동시에 방출된다는 것을 의미한다. 이 팀은 플루오린 이온 빔을 양성자가 많은 표적에 발사하여 ¹⁸Ne을 생성했으며, 이는 산소와 두 양성자로 붕괴했다. 표적 자체에서 방출된 양성자는 그 특유의 에너지로 식별되었다. 두 양성자 방출은 두 가지 방식으로 진행될 수 있다. 네온이 다이양성자를 방출한 다음, 이 다이양성자가 개별 양성자로 붕괴하거나, 양성자가 개별적으로 동시에 "민주적 붕괴" 방식으로 방출될 수 있다. 이 실험은 이 두 과정 중 어느 것이 일어나는지 확립할 만큼 민감하지 않았다.

²He에 대한 추가 증거는 2008년 이탈리아 이탈리아 국립 핵물리 연구소에서 발견되었다.^{[13][19] 20}Ne 이온 빔이 베릴륨 박막 표적에 조사되었다. 이 충돌로 빔의 무거운 네온 핵 중 일부가 ¹⁸Ne 핵으로 전환되었다. 이 핵은 다시 납 박막과 충돌했다. 두 번째 충돌은 ¹⁸Ne 핵을 매우 불안정한 상태로 여기시켰다. 오크리지에서의 이전 실험과 마찬가지로 ¹⁸Ne 핵은 ¹⁶O 핵과 함께 동일한 방향으로 방출되는 두 개의 양성자로 붕괴했다. 새로운 실험은 두 양성자가 처음에는 함께 방출되어 준결합 ¹S 구성으로 상관관계를 가졌다가, 나노초보다 훨씬 짧은 시간 내에 개별 양성자로 붕괴한다는 것을 보여주었다.

추가 증거는 일본이화학연구소와 러시아두브나합동원자핵연구소에서 나왔는데, 그곳에서는 ⁶He 핵 빔이 극저온 수소 표적에 조사되어 ⁵H를 생성했다. ⁶He가 네 개의 중성자 모두를 수소에 기증할 수 있다는 것이 발견되었다. 남은 두 양성자는 쌍양성자로 표적에서 동시에 방출될 수 있으며, 이는 빠르게 두 양성자로 붕괴한다. 유사한 반응은 ⁸He 핵이 수소와 충돌하는 경우에도 관찰되었다.^[20]

전자기 상호작용의 영향으로, 자페-로 원시 입자는^[21] 단위 절단을 벗어나 2000 MeV의 질량과 수백 keV의 폭을 가진 다이양성자 공명과 같은 좁은 두 핵자 공명을 생성할 수 있다.^[22] 이 공명을 찾기 위해서는 운동 에너지 250 MeV, 에너지 확산 100 keV 이하의 양성자 빔이 필요하며, 이는 빔의 전자 냉각을 고려할 때 실현 가능하다.

²He는 양성자-양성자 연쇄 반응의 첫 번째 단계에서 중간체이다. 양성자-양성자 연쇄 반응의 첫 번째 단계는 두 단계 과정이다. 먼저 두 양성자가 융합하여 쌍양성자를 형성한다.

¹H + ¹H + 1.25 MeV → ²He

확률이 낮은 가지에서는 쌍양성자가 β⁺ 붕괴하여 중수소가 된다.

²He → ²H + e⁺ + ν_e + 1.67 MeV

전체 공식은 다음과 같다.

¹H + ¹H → ²H + e⁺ + ν_e + 0.42 MeV.

99.99% 이상의 확률로 쌍양성자는 두 양성자로 다시 핵분열한다. 결합된 쌍양성자가 대폭발과 항성 핵합성에 미치는 가상의 영향은 조사되었다.^[15] 일부 모델은 결합된 쌍양성자를 허용하는 강한 핵력의 변화가 대폭발에서 모든 원시 수소를 헬륨으로 전환하게 하여, 별과 생명체의 발달에 치명적일 것이라고 제안한다. 이 개념은 인류 원리의 한 예이다. 그러나 2009년 연구는 그러한 결론을 내릴 수 없다고 제안한다. 형성된 쌍양성자가 여전히 중수소로 붕괴하고, 중수소의 결합 에너지 또한 증가할 것이기 때문이다. 일부 시나리오에서는 수소(²H의 형태)가 여전히 많은 양으로 살아남을 수 있다고 가정하여, 강한 핵력이 정밀한 인류학적 한계 내에서 조정된다는 주장을 반박한다.^[23]

헬륨-3

 이 부분의 본문은 헬륨-3입니다.

³He는 중성자보다 양성자가 많은 ¹H를 제외하고 유일한 안정 동위 원소이다. ⁷Be 및 ⁸B와 같은 불안정한 동위 원소가 많이 있다. 지구에는 미량(~2ppm)의 ³He가 존재하며, 이는 주로 지구 형성 이후부터 있었던 것이지만, 일부는 우주 먼지에 갇혀 지구로 떨어진다.^[5] 미량은 삼중수소의 베타 붕괴로도 생성된다.^[24] 그러나 항성에서는 핵융합의 산물인 ³He가 더 풍부하다. 달과 소행성레골리스와 같은 외계 물질은 태양풍 폭격으로 인한 ³He의 흔적을 가지고 있다.

³He가 초유체가 되려면 ⁴He(2.17 K)보다 약 900배 낮은 2.5밀리켈빈까지 냉각되어야 한다. 이 차이는 양자 통계로 설명된다. ³He 원자는 페르미온인 반면, ⁴He 원자는 보손으로, 더 쉽게 초유체로 응축된다.

헬륨-4

 이 부분의 본문은 헬륨-4입니다.

가장 흔한 동위 원소인 ⁴He는 지구에서 무거운 원소의 알파 붕괴로 생성된다. 이때 방출되는 알파 입자는 완전히 이온화된 ⁴He 핵이다. ⁴He는 이중 마법수이기 때문에 비정상적으로 안정적인 핵이다. 이것은 대폭발 핵합성에서 엄청난 양으로 형성되었다.

지구의 헬륨은 거의 전적으로(~2ppm을 제외하고) ⁴He로 구성된다. ⁴He의 끓는점인 4.2 K는 ³He를 제외한 모든 알려진 물질 중에서 가장 낮다. 2.17 K까지 더 냉각되면 점성이 0인 독특한 초유체가 된다. 25기압 이상의 압력에서만 고체화되며, 이때 0.95 K에서 녹는다.

헬륨-5

T-15 토카막을 기념하는 1987년 소련 우표는 중수소-삼중수소 핵융합 중 헬륨-5 핵을 묘사한다.

주요 핵융합 반응의 단면적. 헬륨-5의 공명이 없었다면 DT 반응은 DD 반응과 비슷했을 것이다.

헬륨-5는 극도로 불안정하며, 602 요크토초의 반감기로 헬륨-4로 붕괴한다. 이는 유리한 핵융합 반응에서 잠시 생성된다.

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {H} +{}^{3}\mathrm {H} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {He} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17.6\ \mathrm {MeV} }$

이 반응은 공명의 존재로 그 가능성이 크게 높아진다. 0 MeV 기저 상태에서 자연 스핀 상태가 -3/2인 헬륨-5는 16.84 MeV에서 +3/2의 여기 스핀 상태를 갖는다. 반응이 이 상태에 가까운 에너지 준위를 가진 헬륨-5 핵을 생성하기 때문에 더 자주 발생한다. 이는 맨해튼 계획을 위해 핵융합 반응의 무기화를 조사하던 에곤 브레처가 발견했다.

DT 반응은 관련 에너지에서 DD 반응보다 100배 더 가능성이 높지만, 공명이 없었다면 비슷했다고 추정된다. ²H-³He 반응은 리튬-5의 유사한 공명으로부터 이점을 얻지만, 쿨롱 억제를 받는다. 즉, +2 헬륨 핵 전하가 핵융합 핵에 대한 정전기 반발력을 증가시킨다.^[25]

헬륨-6과 헬륨-8

두 동위원소는 헬륨의 수명이 긴 방사성 동위 원소이다. 헬륨-6은 806.9밀리초의 반감기로 베타 붕괴하며, 헬륨-8은 119.5밀리초의 반감기로 붕괴하지만, 후자의 경우 추가 입자 방출이 가능하고 상당하다. ⁶He와 ⁸He는 일반적인 ⁴He 핵이 중성자 "헤일로" (⁶He에서는 두 개의 중성자, ⁸He에서는 네 개의 중성자)로 둘러싸여 있는 것으로 생각된다. 헤일로 핵의 특이한 구조는 중성자의 고립된 특성과 표준 모형 이후의 물리학에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.^[26][27]

같이 보기

헬륨 외 붕괴 생성물

• 리튬 동위 원소
• 수소 동위 원소