Хелијум-3

Хелијум-3 (3He такође погледај хелион) је лак, стабилан изотоп хелијума са два протона и једним неутроном. (За разлику од, најчешћег изотопа, хелијума-4, има два протона и два неутрона. Хелијум-3 и водоник-1 су једини стабилни нуклиди са више протона него неутрона. Пронађен је 1939. године. Атоми хелијума-3 су фермиони и постају суперфлуиди при температури од 2.491 mK.

Хелијум-3 се појављује као примордијални нуклид, излазећи из земљине коре у њену атмосферу и у свемир више од милиона година. Такође, верује се да је природни нуклеоген и космогени нуклид, настајући када се литијум бомбардује природним неутронима, кој може настати при спонтаној фисији и од нуклеарне реакције са космичким зрацима. Део који се данас налази у земљиној атмосфери потиче од атмосферских и подводних нуклеарних тестова.

Нуклеарна фузија путем хелијума-3 се већ јако дуго сматра пожељним будућим извором енергије. Фузија њихова два атома би била анеутронска, што значи, не би се ослобађало штетно зрачење већ традицијалних фузија и не би биле потребне велике температуре. Овај процес би засигурно направио неке друге реакције које би изазвале да околни материјал постане радиоактиван.

Сматра се да су залихе хелијума-3 много обилније на месецу него на земљи, јер га је сунчев ветар током млијарди година таложио у горњем слоју реголита, и ако је његова количина и даље мања у односу на гасовите гиганте нашег соларног система.

Историја Постојање хелијума-3 је први пут предложено 1934. године од стране Аустријсог нуклеарног физичара Марка Олифанта док је још увек радио у лабораторији Кавендиш на Универзитету у Кембриџу. Олифант је извео експерименте у којима су се брзи деутрони сударали са деутронским метама(што је иначе био први експериментални приказ нуклеарне фузије). Изолацију хелијума-3 су први пут постигли Луис Алварез и Роберт Корног 1939. године. Веровало се да је хелијум-3 радиокативни изотоп све док није пронађен у природном хелијуму, који се најчешће појављује као хелијум-4, потичући и из земљине атмосфере и из природних гасних поља.

Физичка својства Због твоје мале атомске масе која износи 3.016 Da, хелијум-3 има различита физичка својства од хелијума-4, који има масу 4.0026 Da. Због слабе, индуковане дипол-дипол интеракције између атома хелијума, њихова микроскопска физичка својства углавном зависе од нултне енергије. Такође, микроскопска својства хелијума-3 доводе до тога да његова нултна енергија буде већа него код једињења хелијума-4, што омогућава хелијуму-3 да превазиђе дипол-дипол интеракције при нижој топлотној енергији него сам хелијум-4.

Ефекти квантне механике на хелијум-3 и хелијум-4 су значајно различити због два протона, два неутрона, и два електрона, хелијум-4 има нулти спин, што га чини бозоном, али због једног мање неутрона, хелијум-3 има спин од један ипо што га чини фермионом.

Чист гас хелијум-3 кључа на 3.19 K у поређењу са хелијумом-4 који кључа на 4.23 K, и његова критичка тачка се налази испод 3.35 K, у поређењу са хелијумом-4 којем је 5.2 K. Хелијум-3 има мање од пола густине хелијума-4 на својој тачки кључања: 59 g/L у поређењу са 125 g/L за хелијум-4 при притиску од једне атмосфере. Његова латентна топлота испаравања такође је знатно мања и износи 0,026 kJ/mol, у поређењу са 0,0829 kJ/mol за хелијум-4.

Суперфлуидност Важна особина атома хелијума-3, која га разликује од знатно распрострањенијег хелијума-4, јесте то што садржи непаран број честица спина 1⁄2 и зато представља сложени фермион. Ово је директна последица самог правила сабирања квантизованог угаоног момента. Насупрот томе, атоми хелијума-4 су бозони, јер је број честица спина које садрже паран -⁠1/2⁠. При ниским температурама(око 2,17 K), хелијум-4 пролази кроз прелазну фазу: један део њега улази у суперфлуидно стање, које се прибложно може објаснити као врста Бозе–Ајнштајновог кондензата. Овакав механизам није доступан фермионским атомима хелијума-3. Многи су спекулисали да би и хелијум-3 могао постати суперфлуидан на знатно нижим температурама, уколико би се атоми удруживали у парове аналогне Куперовим паровима у BCS теорији суперфлуидности.

Заступљеност у природи

Заступљеност на Земљи ³He је примордијална супстанца у Земљином омотачу, за коју се сматра да је била заробљена током самог почетка формирања планете. Однос ³He према ⁴He у Земљиној кори и омотачу мањи је него у соларном диску(како се процењује на основу лунарних узорака), при чему земаљски материјали углавном садрже ниже односе ³He/⁴He услед стварања ⁴He радиоактивним распадом.

3He има космолошки однос од 300 атома на милион атома ⁴He, што доводи до претпоставке да је првобитни однос ових примордијалних гасова у Земљином омотачу износи око 200-300 ppm у време кад је настала планета. Током геолошке историје Земље, значајна количина ⁴He настала је алфа-распадом уранијума, торијума и других радиоактивних изотопа, до те мере да је данас само око 7% хелијума у омотачу примордијалног порекла чиме је укупан однос ³He/⁴He смањен на око 20 ppm. Односи ³He/⁴He који превазилазе атмосферски однос указују на допринос ³He из омотача. Извори у Земљиној кори доминантно су обележени ⁴He насталим радиоактивним распадом.

Месец Материјали на површини Месеца садрже хелијум-3 у концентрацији између 1,4 и 15 ppb у осунчаним подручјима, а у регијама које су трајно осунчане могу достићи и до 50 ppb. Више људи, почевши од Џералда Кулчинског 1986. године, предложило је истраживање Месеца, експлоатацију лунарног реголита и коришћење хелијума-3 за фузију. Због ниских концентрација хелијума-3, сва рударска опрема морала би да обради изузетно велике количине реголита(преко 150 тона реголита да би се добио један грам хелијума-3)

Примарна мисија прве лунарне сонде Индијске организације за свемирска истраживања(ISRO), назване Чандрајан-1, која је лансирана 22. октобра 2008. године, према наводима неких извора, била је мапирање површине Месеца ради идентификације минерала који садрже хелијум-3. Међутим, такав циљ се не помиње на званичној листи циљева овог пројекта, иако су многи од његових научних инструмената имали примене повезане са хелијумом-3.

Гасовити гиганти Експлоатисање гасних гиганата за хелијум-3 је такође било предложено. Дизајн хипотетичке међупланетарне сонде под називом Пројекад Дедал је "користила" хелијум-3 као гориво из атмосфере Јупитера, на пример.

Једна од ранијих процена примордијалног односа ³He према ⁴He у соларној маглини заснивала се на мерењу њиховог односа у атмосфери Јупитера, које је извршио масени спектрометар атмосферске сонде Galileo током уласка у атмосферу. Тај однос износи приближно 1:10.000, односно 100 делова ³He на милион делова ⁴He. Ово је приближно исти изотопски однос као у лунарном реголиту, који садржи 28 ppm хелијума-4 и 2,8 ppb хелијума-3 (што представља доњу границу стварно измерених вредности, које се крећу од око 1,4 до 15 ppb). Земаљски односи ових изотопа мањи су за фактор 100, углавном услед обогаћивања резерви хелијума-4 у омотачу Земље током милијарди година алфа-распада уранијума, торијума, као и њихових продуката распада и изумрлих радионуклида.

Људска производња

Распад трицијума Практично сав хелијум-3 који се данас користи у индустрији добија се радиоактивним распадом трицијума, с обзиром на његову веома ниску природну заступљеност и веома високу цену.

Производњом, продајом и дистрибуцијом хелијума-3 у Сједињеним Америчким Државама управља министарство енергетике САД(DOE), и преко свог Програма за изотопе (DOE Isotope Program).

Иако за трицијум постоји више експериментално одређених вредности његовог полураспада, NIST наводи вредност од 4500 ± 8 дана (12,32 ± 0,02 године). It decays into helium-3 by beta decay as in this nuclear equation: 3 1H → 3 2He1+ + e− + Од укупно ослобођене енергије од 18,6 keV, део који преузима кинетичка енергија електрона варира, са просечном вредношћу од 5,7 keV, док преосталу енергију односи готово недетектујући електронски антинеутрино. Бета честице настале распадом трицијума могу продрати само око 6,0 милиметара (0,24 in) кроз ваздух и нису у могућности да прођу кроз мртви, спољашњи слој људске коже. Необично ниска енергија ослобођена у бета-распаду трицијума чини овај распад(заједно са распадом ренијума-187) погодним за апсолутна лабораторијска мерења масе неутрина(најновији експеримент је KATRIN)

Ниска енергија зрачења трицијума отежава детекцију једињења обележених трицијумом, осим ако се не користи течно сцинтилационо бројање.“

Трицијум је радиоактивни изотоп водоника и најчешће се производи бомбардовањем литијума-6 неутронима у нуклеарном реактору. Језгро литијума апсорбује неутрон и распада се на хелијум-4 и трицијум. Трицијум се распада у хелијум-3 са полураспадом од 12,3 године, тако да се хелијум-3 може добити једноставним складиштењем трицијума док не прође кроз радиоактивни распад.

Коришћење

Спин-ехо хелијума-3 Хелијум-3 се може користити за извођење спин-ехо експеримената динамике површина, који се тренутно спроводе у групи за површинску физику у Кавендишовој лабораторији на Кембриџу и на одсеку за хемију Универзитета у Свонсију.

Детекција неутрона Хелијум-3 је важан изотоп у инструментима за детекцију неутрона. Има велики ефективни пресек апсорпције за снопове термалних неутрона и користи се као конверзациони гас у неутронским детекторима. Неутрон се у нуклеарној реакцији претвара у наелектрисане честице - јоне трицијума (T, ³H) и јоне водоника, односно протоне (p, ¹H), који се затим детектују стварањем облака наелектрисања у зауставном гасу пропорционалног бројача или Гајгер-Милерове цеви.

n + 3He → 3H + 1H + 0.764 MeV

Штавише, процес апсорпције је врло зависан од спина, што омогућава да спин-поларизована запремина хелијума-3 пропушта неутроне са једном спинском компонентом, док другу апсорбује. Овај ефекат се користи у анализи поларизације неутрона, техници којом се испитују магнетна својства материје.

Криогеника Хладњаци са хелијумом-3 су уређаји који се користе у експерименталној физици за постизање температура до око 0,2 келвина. Испаравајућим хлађењем хелијума-4, такозвани ‘1 K суд’ (1-K pot) избацује малу количину хелијума-3 у мали суд који се назива суд хелијума-3. Испаравајуће хлађење течног хелијума-3 при ниском притиску, које се обично остварује адсорпцијом, хлади суд хелијума-3 до делића келвина, при томе се, због високе цене хелијума-3, најчешће држи у затвореном систему како би се избегли губици.

Дилуциони фрижидер користи смешу хелијума-3 и хелијума-4 да би постигао криогене температуре и до само неколико хиљадитих делова келвина.

Нуклеарно магнетно резоновање Језгра хелијума-3 имају сопствени нуклеарни спин од 1/2 ħ и релативно висок гиромагнетни однос. Због тога је могуће користити нуклеарну магнетну резонанцу (NMR) за посматрање хелијума-3. Ова аналитичка техника, која се обично назива ³He-NMR, може се користити за идентификацију једињења која садрже хелијум. Међутим, њена примена је ограничена ниском заступљеношћу хелијума-3 у поређењу са хелијумом-4, који сам по себи није NMR-активан.

Хелијум-3 се може хиперполаризовати коришћењем неравнотежних метода, као што је оптичко пумпање са разменом спина. Током овог процеса, кружно поларизована инфрацрвена ласерска светлост, подешена на одговарајућу таласну дужину, користи се за побуђивање електрона у алкалном металу, као што су цезијум или рубидијум, унутар запечаћене стаклене посуде. Угаони момент се путем судара преноси са електрона алкалног метала на језгра племенитог гаса. У суштини, овај процес ефикасно поравнава нуклеарне спинове са магнетним пољем како би се појачао NMR сигнал.

Референце

Категорија:Хелијум Категорија:Хемијски елементи