PROFILPELAJAR.COM

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)^[1]^[2]. 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)^[1]^[2]. 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^[1].

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^[2]:

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

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

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

Звёздный гелий (гелий Вселенной) — продукт термоядерной реакции синтеза ядер водорода, протекающей на Солнце и звездах по протон-протонному и углеродно-азотному циклам^[1].

Известны ещё шесть радиоактивных изотопов гелия, являющихся продуктами искусственных ядерных реакций. Так, например, нуклид ⁶He был получен при бомбардировке бериллия нейтронами^[1]:

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

Таблица изотопов гелия

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа^[3] (а. е. м.)	Период полураспада^[4] (T_1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра^[4]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
Символ нуклида	Энергия возбуждения			Период полураспада^[4] (T_1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра^[4]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
2 He	2	0	2,015894 ± (2)	< 10⁻⁹ с^[5]	p (>99.99%)	2 1 H	0+#
2 He	2	0	2,015894 ± (2)	< 10⁻⁹ с^[5]	β⁺ (<0.01%)	2 H	0+#
3 He	2	1	3,016029321967 ± (60)	стабилен			1/2+	0,000002 ± (2)^[6]
4 He	2	2	4,002603254130 ± (158)	стабилен			0+	0,999998 ± (2)^[6]
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+
6 He	2	4	6,01888589 ± (6)	806,92 ± (24) мс	β⁻, деление (0,000278 ± (18)%)	4 He, 2 H	0+
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 ² ³ ⁴ ⁵ 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.
↑ ¹ ² ³ 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.
↑ 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.
↑ ¹ ² Данные приведены по Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
↑ Schewe, Phil (2008-05-29). "New Form of Artificial Radioactivity". Physics News Update (865 #2). Архивировано из оригинала на 14 октября 2008.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (непригодный URL) (ссылка)
↑ ¹ ² Atomic Weight of Helium (неопр.). CIAAW. Дата обращения: 6 октября 2021. Архивировано 25 октября 2021 года.