Изотопы гелия

ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ

Когда проводился первый эксперимент Ф. Астона по поиску  изотопов в природном гелии, никто еще не знал сколько изотопов может быть у того или иного элемента. Концепция изотопов обрела  свою физическую наглядность  лишь  после  открытия   в 1932 году английским ученым Джеймсом Чедвиком нейтрона — элементарной частицы с зарядом, равным нулю и массой, приблизительно равной массе протона .
 
С открытием нейтрона атомное ядро обрело свой, «строительный материал». Советский ученый Дмитрий    Дмитриевич Иваненко в том же 1932 году предложил    протонно-нейтронную модель атомного ядра в место     электронно-протонной,  которой оперировала донейтронная физика и которая противоречила многим положениям физики. Согласно протонно-нейтронной модели число протонов в ядре определяет порядковый номер химического элемента, т. е. его химическoe  лицо .      Нейтроны же нужны для «цементирования» протонов ,  которые под действием сил кулоновского отталкивания должны были бы разлететься. И если число       протонов для каждого химического элемента должно быть строго заданным, то число нейтронов может колебаться. Изотопы химических элементов различались именно по числу нейтронов.
 
Если природа почему-то не допускает существо-вания других, кроме гелия-4, изотопов этого элемента, то, может быть, они образуются в искусственных радиоактивных превращениях? Правда, в каких именно, никто не знал. Но в  1933 году М. Олифант, В. Кинсей и Э. Резерфорд при изучении взаимодействия, протонов с ядрами лития обнаружили, что в ядерной реакции
 
Li3 + ¹Н1  ³Не2 + Не2
 
наряду с обычным гелием возникает его ранее неизвестный изотоп — гелий-3.
Вставал вопрос и о возможном существовании другого , более тяжелого изотопа гелия с массовым числом 5. Для него тоже «придумали» реакцию—литиевую мишень (из лития-7) бомбардировали снарядами из дейтерия:
 
Li3 + ²H1  Не2 + Не2.
 
Но гелия-5 среди продуктов реакции не обнаружили. Правда, предполагали, что он мог оказаться нестабильным и не успеть долететь до детектора.
Французские физики Ф. Жолио-Кюри и И. Зло-товски искали гелий-5 среди продуктов реакции
 
Не2 + ²Н   Не2 + ¹Н1.
 
И тоже безуспешно. К гелию-5 мы еще вернемся. А в физике 30-х годов вопрос о его существовании оставался открытым.
В природных же образцах до сих пор наблюдали только гелий-4. И лишь в 1939 году американские физики Л. Альварес и Р. Корног, используя в качестве масс-спектрометра циклотрон, доказали, что гелий-3 все же присутствует в гелии как в атмосферном, так и в добытом из скважин. Только его очень и очень мало. В среднем 1/10 000 000 часть природного гелия приходилась на долю более легкого изотопа. В пробах гелия, полученных из радиоактивных руд, гелия-3 бывало настолько мало, что отношение 3Hе/4Не не всегда поддавалось оценке. Природа пoчему — то не любила этот изотоп.
 

Несуществующие изотопы гелия

По современным представлениям атомы ядер всех химических элементов состоят из комбинаций протонов и нейтронов, объединенных общим названием нуклоны. Исключение составляет протий — самый легкий изотоп водорода, ядро атома которого состоит из одного протона.
А всего в природе может существовать около 6000 комбинаций протонов и нейтронов, т е. около 6000 изотопов, большую часть которых еще предстоит открыть. В настоящее время известно около 2100 изотопов. Но лишь 280 из них лежат на узкой, как лезвие бритвы, «дорожке стабильности». И стоит хотя бы немного отойти от нее, изменив соотношение между протонами и нейтронами, как сгустки материи будут испытывать радиоактивный распад. Простейший пример — массовое число 3. Два протона и нейтрон дают начало стабильному изотопу гелий-3. Протон и два нейтрона образуют тяжелый изотоп водорода — тритий, период полураспада которого около 12 лет… Три протона, равно как и три нейтрона, ядрами назвать уже нельзя, поскольку они мгновенно разваливаются.
 
Возникает вопрос: сколько изотопов отвела природа элементу с порядковым номером 2? С двумя из них — гелием-4 и гелием-3 — мы уже познакомились. Первый появляется в основном при радиоактивных превращениях, второй — в ядерных реакциях.
На роль самого легкого изотопа гелия мог бы претендовать бипротон (гелий-2), ядро которого полностью лишено нейтронов. Однако долгое время вопрос о существовании бипротона даже не вставал: само собой предполагалось, что частица, обладающая двойными по сравнению с протоном зарядом и массой, не прошла бы незамеченной экспериментаторами . Более того. Еще в 1944 году советские физики Л. Д. Ландау и Я. И. Смородинский показали, что система, состоящая из двух протонов, не может быть стабильной.   Она   будет   «жить»   приблизительно 10⁻²² — 10²³-23 с. Интересно, что теория ядерных сил в принципе не протестует против существования такой системы.
 
Дело в том, что ядерные силы зарядово-независимы. Это означает, что чисто ядерные компоненты силы взаимодействия между двумя протонами, двумя нейтронами или протоном и нейтроном одинаковы. Однако жизнеспособной оказывается только комбинация протон — нейтрон, дающая начало ядру атома дейтерия. В случае бипротона с ядерными силами начинают конкурировать кулоновские (поскольку протоны заряжены положительно), и ядро гелия-2, если бы только природа допустила его существовав ние, не успев родиться, было бы буквально «разодра-но» силами электрического отталкивания.
Говорить о прямом наблюдении гелия-2 в ядерных реакциях даже не приходится. Ведь за столь малое время, отведенное ему природой, бипротоны едва успеют покинуть ядро-мишень, в которой они образовались, и, естественно, никакого следа в детекторе не оставят. Однако в физике огромную роль играют косвенные источники информации. Известно, что бипротон должен мгновенно развалиться на два протона, которые согласно законам сохранения энергии и импульса имеют одинаковую энергию и разлетаются под очень малым углом друг к другу, если скорость гипотетического бипротона достаточно велика. Если удастся измерить этот угол и оценить энергию протонов, то можно вычислить и массу, которой обладала бы частица, распавшаяся на два протона. Оказалось, что в результате анализа довольно большого числа протонных пар, разлетающихся под малыми углами, можно говорить о рождении бипротона. Во всяком случае в последние полтора-два десятилетия различные исследовательские группы сообщали о подобном эффекте.
 
А вот массовому числу 5 вообще не повезло. Ни среди стабильных, ни среди радиоактивных ядер нет обладателя пяти нуклонов. Но в 30—40-е годы, когда еще не было известно, что гелий-5 с полным правом можно отнести к несуществующим изотопам, его интенсивно искали. Однако масс-спектрометрические исследования природного гелия из скважин показали, что в естественном состоянии этот изотоп практически отсутствует.  Не смогли найти его, в отличие от гелия -3 , и в ядерных реакциях. В безуспешных поисках участвовали многие крупные физики-ядерщики: Резерфорд, Ф. Жолио-Кюри, Г. Штауб, В. Гейт-дер, Й. X. Д. Йенсен, С. Ф. Пауэлл, М. Г. Мещеряков.
Временами проблема гелия-5 всплывает. Однако, как и в случае с бипротоном, удается только мысленно восстановить картину события: рождение и мгновенный распад этого мифического изотопа. Та же судьба постигла и более тяжелые, с нечетным числом
нейтронов ядра гелия-7 и гелия-9. Если они и фигурируют в научной литературе, то в основном как продукт теоретической мысли.
Современные представления о ядерных силах позволяют понять, почему эти ядра не могут существовать. В атомном ядре действует так называемый принцип Паули, согласно которому две одинаковый частицы, находящиеся в одном и том же состояний в ядре, должны иметь противоположно направленные спины .
 
Рассмотрим ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, имеющих согласно принципу Паули противоположно направленные спины. Это — низшее энергетическое состояние, и следующий нуклон может занять только более высокое энергетическое состояние. Но этот добавочный нуклон будет настолько слабо связан с остальными четырьмя, образующими укомплектованное состояние, что ядра с массовым числом пять обязательно окажутся нестабильными. Это — гелий-5 ,(Не2 + n)  или литий-5 (Li3 + p). Такое ограничение природа накладывает только на массовое число пять. Существование же более тяжелых изотопов гелия с четным числом нуклонов с точки зрения современной физики представляется возможным.
Статья на тему Изотопы гелия