ヘリウムの同位体

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ヘリウムの同位体(ヘリウムのどういたい)は8種類が知られているが、3He4Heの2種類のみが安定である。地球の大気中には、3Heと4Heは1対100万の割合で存在する[1]。しかしヘリウムはその由来によって同位体組成が大きく異なるという特徴がある。星間物質の中では、3Heの割合は約100倍も高くなる[2]。地球上の岩石でも同位体の存在比は10倍も異なる。この事実は地質学で、岩石の起源やマントルの組成を調べるのに使われている[3]

最も多い同位体である4Heは、地球上で、より重い原子のアルファ崩壊によって作られる。α崩壊により放出されるα粒子は、帯電した4He原子核である。4Heの核子の数は魔法数にあたり、4Heの原子核は非常に安定である。これらはまた、ビッグバン原子核合成によっても大量に生成された。ヘリウムの2つの安定同位体は異なった経路で生成されたため、その分布にも大きな違いが見られる。

0.8ケルビン以下の3Heと4Heの等量混合液体は、2つの層に別れ、混合しない。これは、3Heはフェルミ粒子4Heはボース粒子であり、異なった量子統計に従うからである[4]3He-4He希釈冷凍法では、これらが混合しない性質を利用し、数ミリケルビンという極低温への冷却を行う。地球上には痕跡量の3Heしか存在しないが、宇宙塵の構成成分として地球に降ってきたり[3]三重水素ベータ崩壊で生じることがある[5]。しかし、恒星の中では3Heは核融合により多量に作られる。小惑星レゴリスのような地球外物質では、太陽風に晒されることによって生じた3Heが痕跡量存在する。

その他の同位体[編集]

ヘリウムには、安定同位体よりも質量の重いいくつかの同位体が存在するが、それらの半減期は全て1秒以下である。

最も寿命の短い同位体は5Heで、その半減期は7.6×10-22秒である。6Heは0.8秒の半減期でβ崩壊する。7Heはβ崩壊、ガンマ崩壊を起こす。8Heは最も研究が進んでいて、8Heと6Heは、4He原子核が中性子ハローによって囲まれた構造をしていると考えられている。

ヘリウム2[編集]

ヘリウム2(ジプロトン)は、ヘリウムの仮想的な同位体で、計算上は強い相互作用がもう2%大きかったら存在することができる。

反ヘリウム[編集]

反ヘリウムは、反陽子反中性子からなる原子であり、ヘリウムの反物質である。記号はHeと、通常のHeに反物質であることを示す線を上に引く。反ヘリウムの同素体の原子核として3He4Heがそれぞれ合成されている。今のところ陽電子が周りを回る「反原子」と呼べる状態のものは合成されていない。

一覧[編集]

同位体
核種
Z(p) N(n) 同位体質量 (u) 半減期 核スピン 天然存在比
(モル比)
天然存在比の範囲
(モル比)
備考
2He 2 0 2  ? 0+(#)
存在が確認されていない。
3He 2 1 3.0160293191(26) STABLE 1/2+ 0.00000134(3) 4.6×10-10-0.000041
4He 2 2 4.00260325415(6) STABLE 0+ 0.99999866(3) 0.999959-1
5He 2 3 5.01222(5) 700(30)E-24 s [0.60(2) MeV] 3/2-
非常に不安定で、4Heに崩壊する。
6He 2 4 6.0188891(8) 806.7(15) ms 0+
7He、11Liから生成される。6Liにβ崩壊する。
7He 2 5 7.028021(18) 2.9(5)E-21 s [159(28) keV] (3/2)-
非常に不安定で、6Heに崩壊する。
8He 2 6 8.033922(7) 119.0(15) ms 0+
9Heより生成される。β崩壊と中性子放出により7Liに崩壊する。
9He 2 7 9.04395(3) 7(4)E-21 s [100(60) keV] 1/2(-#)
非常に不安定で、8Heに崩壊する。
10He 2 8 10.05240(8) 2.7(18)E-21 s [0.17(11) MeV] 0+
非常に不安定で、9Heに崩壊する。

[編集]

  • 天然存在比は大気中における値である。
  • 同位体存在比と原子量は変動するので値の正確さには限界がある。与えられている範囲は全ての標準的な地球上の物質に適用できる。
  • 地質学的に例外的なサンプルは同位体存在比が上記の範囲の外にあることが知られている。原子量の不確かさはそのような標本のために上記の値を超える可能性がある。
  • #をつけた値は純粋に実験値から得られたデータではなく、少なくとも一部は系統的傾向からの計算値を含んでいる。根拠の弱い核スピンについてはかっこで括っている。
  • 数字の最後のかっこ書きはその数字の不確かさを表す。不確かさの値は同位体の存在比と標準原子量についてはIUPACの公表する拡張不確かさを、それ以外については標準偏差を記載している。

参考[編集]

出典[編集]

  1. ^ Emsley, John. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford: Oxford University Press, 2001. Page 178. ISBN 0-19-850340-7
  2. ^ [1], ingentaconnect.com, Retrieved 5 January 2007
  3. ^ a b Helium Fundamentals
  4. ^ The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 264
  5. ^ Periodic Table of Elements: Li - Lithium (EnvironmentalChemistry.com)

外部リンク[編集]