Isotop helium

Isotop utama helium

Iso­top Peluruhan kelim­pahan waktu paruh (t1/2) mode pro­duk ^3He 0,0002(2)% stabil ^4He 99,9998(2)% stabil
Berat atom standar Ar°(He)	4,002602±0,000002 4,0026±0,0001 (diringkas)[1]

Meskipun helium (₂He) (berat atom standar: 4,002602(2)) memiliki sembilan isotop, hanya helium-3 (³He) dan helium-4 (⁴He) yang stabil.^[2] Semua radioisotop helium berumur pendek, yang berumur paling lama adalah ⁶He dengan waktu paruh 806,92(24) milidetik. Yang paling tidak stabil adalah ¹⁰He, dengan waktu paruh 260(40) yoktodetik (2,6(4)×10⁻²² detik), meskipun ada kemungkinan bahwa ²He mungkin memiliki waktu paruh yang lebih pendek.

Di atmosfer bumi, perbandingan ³He terhadap ⁴He adalah 1,343(13)×10⁻⁶.^[3] Namun, kelimpahan isotop helium sangat bervariasi tergantung pada asalnya. Di Awan Antarbintang Lokal, proporsi ³He terhadap ⁴He adalah 1,62(29)×10⁻⁴,^[4] yang 121(22) kali lebih tinggi daripada helium di atmosfer. Batuan dari kerak bumi memiliki rasio isotop yang bervariasi hingga faktor sepuluh; hal ini digunakan dalam geologi untuk menyelidiki asal usul batuan dan komposisi mantel Bumi.^[5] Proses pembentukan yang berbeda dari dua isotop stabil helium menghasilkan kelimpahan isotop yang berbeda.

Campuran yang sama dari cairan ³He dan ⁴He di bawah 0,8 K terpisah menjadi dua fase yang tidak dapat bercampur karena perbedaannya (mereka mengikuti statistik kuantum yang berbeda: atom ⁴He adalah boson sedangkan atom ³He adalah fermion).^[6] Lemari es pengenceran memanfaatkan ketidakbercampuran kedua isotop ini untuk mencapai suhu beberapa milikelvin.

Daftar isotop

Nuklida[7]	Z	N	Massa isotop (Da)[8] [n 1]	Waktu paruh [lebar resonansi]	Mode peluruhan [n 2]	Isotop anak [n 3]	Spin dan paritas [n 4][n 5]	Kelimpahan alami (fraksi mol)
								Proporsi normal	Rentang variasi
2He[n 6]	2	0	2,015894(2)	≪ 10^−9 dtk[9]	p (> 99,99%)	1H	0+#
					β^+ (< 0,01%)	2H
3He[n 7]	2	1	3,016029321967(60)	Stabil[n 8]			1/2+	0,000002(2)[10]	[4,6×10^−10, 0,000041][11]
4He[n 7]	2	2	4,002603254130(158)	Stabil			0+	0,999998(2)[10]	[0,999959, 1,000000][11]
5He	2	3	5,012057(21)	602(22) ydtk [758(28) keV]	n	4He	3/2−
6He[n 9]	2	4	6,01888589(6)	806,92(24) mdtk	β^− (99,999722(18)%)	6Li	0+
					β^−d (0,000278(18)%)	4He
7He	2	5	7,027991(8)	2,51(7) zdtk [182(5) keV]	n	6He	(3/2)−
8He[n 10]	2	6	8,03393439(10)	119,5 (1,5) mdtk	β^− (83,1(1,0)%)	8Li	0+
					β^−n (16(1)%)	7Li
					β^−t (0,9(1)%)	5He
9He	2	7	9,043950(50)	2,5(2,3) zdtk	n	8He	1/2(+)
10He	2	8	10,05282(10)	260(40) ydtk [1,76(27) MeV]	2n	8He	0+
Header & footer tabel ini:  view

1. ( ) – Ketidakpastian (1σ) diberikan dalam bentuk ringkas dalam tanda kurung setelah digit terakhir yang sesuai.
2. Mode peluruhan:

   n:	Emisi neutron
   p:	Emisi proton

3. Simbol tebal sebagai anak – Produk anak stabil.
4. ( ) nilai spin – Menunjukkan spin dengan argumen penempatan yang lemah.
5. # – Nilai yang ditandai # tidak murni berasal dari data eksperimen, tetapi setidaknya sebagian dari tren nuklida tetangga (trends of neighboring nuclides, TNN).
6. Perantara dalam reaksi rantai proton–proton
7. Diproduksi selama nukleosintesis Ledakan Dahsyat
8. Ia adalah satu dari dua nuklida stabil dengan lebih banyak proton daripada neutron. Yang lain adalah ¹H.
9. Memiliki 2 neutron halo
10. Memiliki 4 neutron halo

Helium-2 (diproton)

Helium-2 atau ²He adalah isotop helium yang sangat tidak stabil. Intinya, diproton, terdiri dari dua proton tanpa neutron. Menurut perhitungan teoritis, ia akan jauh lebih stabil (walaupun masih mengalami peluruhan β⁺ menjadi deuterium) jika interaksi kuatnya 2% lebih besar.^[12] Ketidakstabilannya adalah karena interaksi spin-spin dalam gaya nuklir, dan asas larangan Pauli, yang memaksa dua proton tersebut untuk memiliki spin anti-sejajar dan memberikan diproton energi pengikatan negatif.^[13]

Mungkin ada pengamatan mengenai ²He. Pada tahun 2000, fisikawan pertama kali mengamati jenis peluruhan radioaktif baru di mana sebuah inti memancarkan dua proton sekaligus—mungkin inti ²He.^[14][15] Sebuah tim yang dipimpin oleh Alfredo Galindo-Uribarri dari Laboratorium Nasional Oak Ridge mengumumkan bahwa penemuan itu akan membantu para ilmuwan memahami gaya nuklir kuat dan memberikan wawasan baru tentang penciptaan unsur-unsur di dalam bintang. Galindo-Uribarri dan rekan kerjanya memilih isotop neon dengan struktur energi yang mencegahnya memancarkan proton satu per satu. Ini berarti bahwa kedua proton dikeluarkan secara bersamaan. Tim tersebut menembakkan seberkas ion fluorin ke target yang kaya proton untuk menghasilkan ¹⁸Ne, yang kemudian meluruh menjadi oksigen dan dua proton. Setiap proton yang dikeluarkan dari target itu sendiri diidentifikasi oleh energi karakteristiknya. Ada dua cara di mana emisi dua proton dapat dilanjutkan. Inti neon mungkin mengeluarkan "diproton"—sepasang proton yang dibundel bersama sebagai inti ²He—yang kemudian meluruh menjadi proton terpisah. Atau, proton dapat dipancarkan secara terpisah tetapi secara bersamaan—yang disebut "peluruhan demokrasi". Eksperimen ini tidak cukup sensitif untuk menentukan yang mana dari dua proses ini yang terjadi.

Lebih banyak bukti dari ²He ditemukan pada tahun 2008 di Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, di Italia.^[9][16] Seberkas ion ²⁰Ne diarahkan pada target foil berilium. Tabrakan ini mengubah beberapa inti neon yang lebih berat dalam sinar menjadi inti ¹⁸Ne. Inti ini kemudian bertabrakan dengan foil timbal. Tabrakan kedua memiliki efek menarik inti ¹⁸Ne ke dalam kondisi yang sangat tidak stabil. Seperti pada percobaan sebelumnya di Oak Ridge, inti ¹⁸Ne meluruh menjadi inti ¹⁶O, ditambah dua proton yang terdeteksi keluar dari arah yang sama. Eksperimen baru menunjukkan bahwa dua proton awalnya dikeluarkan bersama-sama, berkorelasi dalam konfigurasi ¹S quasibound, sebelum meluruh menjadi proton terpisah kurang dari satu nanodetik kemudian.

Bukti lebih lanjut datang dari RIKEN di Jepang^{[butuh rujukan]} dan Joint Institute for Nuclear Research di Dubna, Rusia,^{[butuh rujukan]} di mana berkas inti ⁶He diarahkan pada target hidrogen kriogenik untuk menghasilkan ⁵He. Ditemukan bahwa inti ⁶He dapat menyumbangkan keempat neutronnya kepada hidrogen.^{[butuh rujukan]} Dua proton yang tersisa dapat dikeluarkan secara bersamaan dari target sebagai inti ²He, yang dengan cepat meluruh menjadi dua proton. Reaksi serupa juga telah diamati dari inti ⁸He yang bertabrakan dengan hidrogen.^[17]

²He adalah perantara dalam langkah pertama reaksi berantai proton-proton. Langkah pertama dari reaksi berantai proton-proton adalah proses dua tahap; pertama, dua proton melebur membentuk diproton:

1
1H + 1
1H + 1,25 MeV → 2
2He,

diikuti oleh peluruhan beta-plus langsung dari diproton menjadi deuterium:

2
2He → 2
1D + e⁺ + ν_e + 1,67 MeV,

dengan rumus keseluruhan

1
1H + 1
1H → 2
1D + e⁺ + ν_e + 0,42 MeV.

Efek hipotetis dari pengikatan diproton pada nukleosintesis Ledakan Dahsyat dan bintang telah diselidiki.^[12] Beberapa model memperkirakan bahwa variasi gaya kuat yang memungkinkan keberadaan diproton terikat akan memungkinkan konversi semua hidrogen primordial menjadi helium dalam Ledakan Dahsyat, dengan konsekuensi bencana pada perkembangan bintang dan kehidupan. Proposisi ini digunakan sebagai contoh prinsip antropik. Namun, sebuah studi tahun 2009 menunjukkan bahwa kesimpulan seperti itu tidak dapat ditarik, karena diproton yang terbentuk masih akan meluruh menjadi deuterium, yang energi pengikatannya juga akan meningkat. Dalam beberapa skenario, dipostulasikan bahwa hidrogen (dalam bentuk deuterium) masih bisa bertahan dalam jumlah yang relatif besar, membantah argumen bahwa gaya kuat disetel dalam batas antropik yang tepat.^[18]

Helium-3

Artikel utama: Helium-3

³He adalah isotop stabil dan merupakan satu dari dua isotop stabil selain ¹H dengan jumlah proton lebih banyak daripada neutron. (Ada banyak isotop tidak stabil seperti itu, yang paling ringan adalah ⁷Be dan ⁸B.) Hanya ada sejumlah kecil (0,000002(2))^{[10] 3}He di Bumi, terutama hadir sejak pembentukan Bumi, meskipun beberapa jatuh ke Bumi dan terperangkap dalam debu kosmik.^[5] Jumlah renik juga dihasilkan oleh peluruhan beta tritium.^[19] Bagaimanpun, di dalam bintang, ³He lebih berlimpah, karena ia produk fusi nuklir. Bahan ekstraplanet, seperti regolit bulan dan asteroid, memiliki jumlah renik ³He dari bombardir angin surya.

Agar helium-3 membentuk superfluida, ia harus didinginkan hingga suhu 0,0025 K, atau hampir seribu kali lebih rendah daripada helium-4 (2,17 K). Perbedaan ini dijelaskan oleh statistik kuantum, karena atom helium-3 adalah fermion, sedangkan atom helium-4 adalah boson, yang lebih mudah mengembun menjadi superfluida.

Helium-4

Artikel utama: Helium-4

Isotop helium yang paling umum, ⁴He, diproduksi di Bumi oleh peluruhan alfa dari unsur radioaktif yang lebih berat; partikel alfa yang muncul adalah inti ⁴He yang terionisasi penuh. ⁴He adalah inti yang luar biasa stabil karena nukleonnya tersusun menjadi kulit yang lengkap. Ia juga terbentuk dalam jumlah besar selama nukleosintesis Ledakan Dahsyat.

Helium terestrial terdiri hampir secara eksklusif (0,999998(2))^[10] dari isotop ini. Titik didih helium-4 sebesar 4,2 K adalah yang terendah kedua dari semua zat yang diketahui, kedua setelah helium-3. Ketika didinginkan lebih lanjut hingga 2,17 K, ia berubah menjadi keadaan superfluida unik dengan viskositas nol. Ia membeku hanya pada tekanan di atas 25 atmosfer, di mana titik leburnya adalah 0,95 K.

Isotop helium yang lebih berat

Meskipun semua isotop helium yang lebih berat meluruh dengan waktu paruh kurang dari satu detik, para peneliti telah menggunakan tumbukan akselerator partikel untuk menciptakan inti atom yang tidak biasa untuk unsur-unsur seperti helium, litium dan nitrogen. Struktur nuklir yang tidak biasa dari isotop tersebut dapat memberikan wawasan tentang sifat terisolasi dari neutron.^{[butuh rujukan]}

Isotop helium yang berumur paling pendek adalah helium-10 dengan waktu paruh 260(40) yoktodetik. Helium-6 meluruh dengan memancarkan partikel beta dan memiliki waktu paruh 806,92(24) milidetik. Isotop helium berat yang paling banyak dipelajari adalah helium-8. Isotop ini, serta helium-6, diperkirakan terdiri dari inti helium-4 normal yang dikelilingi oleh "halo" neutron (mengandung dua neutron dalam ⁶He dan empat neutron dalam ⁸He). Inti halo telah menjadi area penelitian yang intens. Isotop hingga helium-10, dengan dua proton dan delapan neutron, telah dikonfirmasi. ¹⁰He, meskipun merupakan isotop ajaib ganda, memiliki waktu paruh yang sangat pendek; ia tidak terikat partikel dan hampir seketika meneteskan dua neutron.^[20]

Pranala luar

Tabel Umum — abstrak untuk helium dan inti ringan eksotik lainnya

Referensi

1. Meija, J.; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure Appl. Chem. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
2. "helium-3 | chemical isotope | Britannica". www.britannica.com (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 1 Juli 2022. 
3. Sano, Yuji; Wakita, Hiroshi; Sheng, Xu (1988). "Atmospheric helium isotope ratio". Geochemical Journal. 22 (4): 177–181. doi:10.2343/geochemj.22.177. 
4. Busemann, H.; Bühler, F.; Grimberg, A.; Heber, V. S.; Agafonov, Y. N.; Baur, H.; Bochsler, P.; Eismont, N. A.; Wieler, R.; Zastenker, G. N. (2006-03-01). "Interstellar Helium Trapped with the COLLISA Experiment on the MiR Space Station—Improved Isotope Analysis by In Vacuo Etching". The Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggris). 639 (1): 246. doi:10.1086/499223. ISSN 0004-637X. 
5. "Helium Fundamentals". 
6. The Encyclopedia of the Chemical Elements. hlm. 264. 
7. Waktu paruh, mode peluruhan, spin nuklir, dan komposisi isotop bersumber dari:
   Kondev, F.G.; Wang, M.; Huang, W.J.; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties" (PDF). Chinese Physics C. 45 (3): 030001. doi:10.1088/1674-1137/abddae. 
8. Wang, Meng; Huang, W.J.; Kondev, F.G.; Audi, G.; Naimi, S. (2021). "The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references*". Chinese Physics C. 45 (3): 030003. doi:10.1088/1674-1137/abddaf. 
9. Schewe, Phil (29 Mei 2008). "New Form of Artificial Radioactivity". Physics News Update (865 #2). Diarsipkan dari versi asli tanggal 14 Oktober 2008.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
10. "Atomic Weight of Helium". CIAAW. Diakses tanggal 1 Juli 2022.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
11. Meija, Juris; Coplen, Tyler B.; Berglund, Michael; Brand, Willi A.; Bièvre, Paul De; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Irrgeher, Johanna; Loss, Robert D.; Walczyk, Thomas; Prohaska, Thomas (2016-03-01). "Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry (dalam bahasa Inggris). 88 (3): 293–306. doi:10.1515/pac-2015-0503. ISSN 1365-3075. 
12. Bradford, R. A. W. (27 Agustus 2009). "The effect of hypothetical diproton stability on the universe" (PDF). Journal of Astrophysics and Astronomy. 30 (2): 119–131. Bibcode:2009JApA...30..119B. CiteSeerX 10.1.1.495.4545 . doi:10.1007/s12036-009-0005-x. 
13. Nuclear Physics in a Nutshell, C. A. Bertulani, Princeton University Press, Princeton, N.J., 2007, Bab 1, ISBN 978-0-691-12505-3.
14. Physicists discover new kind of radioactivity Diarsipkan 2011-04-23 di Wayback Machine., in physicsworld.com 24 Oktober 2000.
15. J. Gómez del Campo; A. Galindo-Uribarri; et al. (2001). "Decay of a Resonance in ¹⁸Ne by the Simultaneous Emission of Two Protons". Physical Review Letters. 86 (2001): 43–46. doi:10.1103/PhysRevLett.86.43. PMID 11136089. 
16. Raciti, G.; Cardella, G.; De Napoli, M.; Rapisarda, E.; Amorini, F.; Sfienti, C. (2008). "Experimental Evidence of ²He Decay from ¹⁸Ne Excited States". Phys. Rev. Lett. 100 (19): 192503–192506. Bibcode:2008PhRvL.100s2503R. doi:10.1103/PhysRevLett.100.192503. PMID 18518446. 
17. Korsheninnikov A. A.; et al. (28 Februari 2003). "Experimental Evidence for the Existence of ⁷H and for a Specific Structure of ⁸He" (PDF). Physical Review Letters. 90 (8): 082501. Bibcode:2003PhRvL..90h2501K. doi:10.1103/PhysRevLett.90.082501. PMID 12633420. 
18. MacDonald, J.; Mullan, D.J. (2009). "Big Bang Nucleosynthesis: The strong nuclear force meets the weak anthropic principle". Physical Review D. 80 (4): 043507. arXiv:0904.1807 . doi:10.1103/PhysRevD.80.043507. 
19. K. L. Barbalace. "Periodic Table of Elements: Li—Lithium". EnvironmentalChemistry.com. Diakses tanggal 1 Juli 2022. ^{[pranala nonaktif permanen]}
20. Clifford A. Hampel (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements. Reinhold Book Corporation. hlm. 260. ISBN 978-0278916432.