Helio-4

Helio-4 (^{4< /sup>}
Él
) es un isótopo estable del elemento helio. Es, con diferencia, el más abundante de los dos isótopos de helio naturales 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 elementos pesados en la corteza terrestre es la fuente de la mayor parte del helio-4 natural en la Tierra, producido después de que el planeta se enfrió y solidificó. Si bien también se produce por fusión nuclear en 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 medida ausente de la Tierra, ya que escapó 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 K (-270,98 °C), se convierte en un superfluido, con propiedades muy diferentes a las de un líquido ordinario. Por ejemplo, si se mantiene helio-4 superfluido en un recipiente abierto, una película delgada subirá por los lados del recipiente y se desbordará. En este estado y situación, se llama "película de Rollin". Este extraño comportamiento es resultado de la relación Clausius-Clapeyron y no puede explicarse por el modelo actual de la mecánica clásica, ni por los modelos — sólo puede entenderse como un fenómeno mecánico-cuántico. El espín total del núcleo de helio-4 es un número entero (cero) y, por tanto, es un bosón (al igual que los átomos neutros de helio-4). Ahora se entiende que el comportamiento superfluido es una manifestación de la condensación de Bose-Einstein, que ocurre sólo 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 — al igual que 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 adicional introduce un tercer "cuerpo", por lo que la solución a su ecuación de onda se convierte en un "tres cuerpos problema", 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 tiempo que el tamaño del núcleo ⁴He es del orden de magnitud de 1 fm. En un experimento que implicó el uso de átomos exóticos de helio en el que un electrón atómico fue reemplazado por un muón, se estimó que el tamaño del núcleo era de 1,67824(83) fm.

Estabilidad del núcleo de 4He y de la capa electrónica

El núcleo del átomo de helio-4 tiene un tipo de estabilidad llamada doblemente mágica. 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 de helio obedecen las mismas reglas de la mecánica cuántica que el par de electrones del helio (aunque las partículas nucleares están sujetas a un régimen nuclear diferente). potencial de unión), de modo que todos estos fermiones ocupan completamente los orbitales 1s en pares, ninguno de ellos posee momento angular orbital y cada uno cancela el espín intrínseco del otro. Agregar otra de cualquiera de estas partículas requeriría 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 relacionados con el helio en la naturaleza.

Por ejemplo, la estabilidad y baja energía de la nube de electrones de helio provoca 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 la 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 como la fusión de partículas pesadas. Algo de helio-3 estable se produce en reacciones de fusión a partir de hidrógeno, pero es una fracción muy pequeña, en comparación con la producción energéticamente favorable de 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 diferencia, el tipo más común de partícula bariónica expulsada de un núcleo atómico; en otras palabras, la desintegración alfa es mucho más común que la desintegración de cúmulos.

La inusual estabilidad del núcleo de helio-4 también es importante desde el punto de vista cosmológico. Esto explica el hecho de que, en los primeros minutos después del Big Bang, mientras la "sopa" de protones y neutrones libres que inicialmente se habían creado en una proporción de aproximadamente 6:1 enfriados hasta el punto en que era posible la unión nuclear, casi todos los núcleos atómicos que se formaron fueron núcleos de helio-4. La unión de los nucleones en el helio-4 es tan estrecha 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 unión nuclear del helio-4 por nucleón es más fuerte que en cualquiera de esos elementos (ver nucleogénesis y energía de unión) y, por lo tanto, no hay ningún "impulso" Estaba disponible para producir los elementos 3, 4 y 5 una vez que se había formado el helio. Apenas es energéticamente favorable que el helio se fusione en el siguiente elemento con mayor energía 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 ⁴He se fusionan), este proceso necesita que tres núcleos de helio choquen entre sí casi simultáneamente (ver triple alfa proceso). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara una cantidad significativa de carbono en los pocos minutos posteriores al Big Bang, antes de que el universo en expansión inicial se enfriara a una temperatura y presión donde la fusión del helio con el carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción 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.

Por lo tanto, todos los elementos más pesados, incluidos los necesarios para los 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 que eran lo suficientemente calientes como para fusionar elementos más pesados que el hidrógeno. Todos los elementos, excepto el hidrógeno y el helio, representan hoy sólo el 2% de la masa de materia atómica del universo. El helio-4, por el contrario, constituye alrededor del 23% de la materia ordinaria del universo: casi toda la materia ordinaria que no es hidrógeno (¹H).