Helio-4 (4
Él
) es un isótopo estable del elemento helio . Es, con diferencia, el más abundante de los dos isótopos naturales del helio, y constituye aproximadamente el 99,99986 % del helio de la Tierra. Su núcleo es idéntico a una partícula alfa y consta de dos protones y dos neutrones .
La desintegración alfa de los elementos pesados en la corteza terrestre es la fuente de la mayor parte del helio-4 natural que se produce en la Tierra después de que el planeta se enfriara y solidificara. Si bien también se produce por fusión nuclear en las estrellas , se cree que la mayor parte del helio-4 del Sol y del universo se produjo en el Big Bang y se lo conoce como " helio primordial ". Sin embargo, el helio-4 primordial está prácticamente ausente de la Tierra, ya que se escapó durante la fase de alta temperatura de la formación de la Tierra.
El helio-4 constituye aproximadamente una cuarta parte de la materia ordinaria del universo en masa, y casi todo el resto es hidrógeno .
Cuando el helio-4 líquido se enfría por debajo de 2,17 K (−270,98 °C), se convierte en un superfluido , con propiedades que son muy diferentes a las de un líquido ordinario. Por ejemplo, si el helio-4 superfluido se mantiene en un recipiente abierto, una película delgada trepará por los lados del recipiente y se desbordará. En este estado y situación, se llama " película de Rollin ". Este extraño comportamiento es resultado de la relación de Clausius-Clapeyron y no puede explicarse mediante el modelo actual de mecánica clásica , ni mediante modelos nucleares o eléctricos ; solo puede entenderse como un fenómeno mecánico cuántico . El espín total del núcleo de helio-4 es un número entero (cero) y, por lo tanto, es un bosón (como lo son los átomos neutros de helio-4). Ahora se entiende que el comportamiento superfluido es una manifestación de la condensación de Bose-Einstein , que ocurre solo con conjuntos de bosones.
Se teoriza que a 0,2 K y 50 atm, el helio-4 sólido puede ser un supervidrio (un sólido amorfo que exhibe superfluidez ). [1] [2] [3]
El helio-4 también existe en la Luna y, como en la Tierra , es el isótopo de helio más abundante. [4] [5] [6]
El átomo de helio es el segundo átomo más simple (el hidrógeno es el más simple), pero el electrón adicional introduce un tercer "cuerpo", por lo que su ecuación de onda se convierte en un " problema de los tres cuerpos ", que no tiene solución analítica. Sin embargo, las aproximaciones numéricas de las ecuaciones de la mecánica cuántica han proporcionado una buena estimación de las propiedades atómicas clave del helio-4 , como su tamaño y energía de ionización .
Desde hace tiempo se sabe que el tamaño del núcleo de 4 He es del orden de magnitud de 1 fm . En un experimento que implicó el uso de átomos de helio exóticos donde un electrón atómico fue reemplazado por un muón , el tamaño del núcleo se ha estimado en 1,67824(83) fm. [7]
El núcleo del átomo de helio-4 tiene un tipo de estabilidad llamada doblemente mágica . Los experimentos de dispersión de electrones de alta energía muestran que su carga disminuye exponencialmente desde un máximo en un punto central, exactamente como lo hace la densidad de carga de la propia nube de electrones del helio. Esta simetría refleja una física subyacente similar: el par de neutrones y el par de protones en el núcleo del helio obedecen las mismas reglas de mecánica cuántica que el par de electrones del helio (aunque las partículas nucleares están sujetas a un potencial de enlace nuclear diferente), de modo que todos estos fermiones ocupan orbitales 1s por pares, ninguno de ellos posee momento angular orbital y cada uno cancela el espín intrínseco del otro. Agregar otra de cualquiera de estas partículas requeriría momento angular y liberaría sustancialmente menos energía (de hecho, ningún núcleo con cinco nucleones es estable). Esta disposición es, por lo tanto, energéticamente extremadamente estable para todas estas partículas, y esta estabilidad explica muchos hechos cruciales relacionados con el helio en la naturaleza.
Por ejemplo, la estabilidad y la baja energía de la nube de electrones del helio provocan la inercia química del helio (la más extrema de todos los elementos) y también la falta de interacción de los átomos de helio entre sí (produciendo los puntos de fusión y ebullición más bajos de todos los elementos).
De manera similar, la particular estabilidad energética del núcleo de helio-4, producida por efectos similares, explica la facilidad de producción de helio-4 en reacciones atómicas que involucran tanto la emisión de partículas pesadas como la fusión. Se produce algo de helio-3 estable en reacciones de fusión a partir del hidrógeno, pero es una fracción muy pequeña, en comparación con la producción altamente favorable energéticamente de helio-4. La estabilidad del helio-4 es la razón por la que el hidrógeno se convierte en helio-4, y no deuterio (hidrógeno-2) o helio-3 u otros elementos más pesados durante las reacciones de fusión en el Sol. También es parcialmente responsable de que la partícula alfa sea, con mucho, el tipo más común de partícula bariónica que se expulsa de un núcleo atómico; en otras palabras, la desintegración alfa es mucho más común que la desintegración en cúmulos .
La inusual estabilidad del núcleo de helio-4 también es importante cosmológicamente. Explica el hecho de que, en los primeros minutos después del Big Bang , cuando la "sopa" de protones y neutrones libres que se había creado inicialmente en una proporción de aproximadamente 6:1 se enfrió hasta el punto en que la unión nuclear fue posible, casi todos los núcleos atómicos que se formaron fueron núcleos de helio-4. La unión de los nucleones en el helio-4 es tan fuerte que su producción consumió casi todos los neutrones libres en unos pocos minutos, antes de que pudieran desintegrarse en beta, y dejó muy pocos para formar átomos más pesados (especialmente litio , berilio y boro ). La energía de la unión nuclear del helio-4 por nucleón es más fuerte que en cualquiera de esos elementos (ver nucleogénesis y energía de enlace ), y por lo tanto no hubo un "impulso" energético disponible para formar los elementos 3, 4 y 5 una vez que se había formado el helio. Es apenas favorable energéticamente para que el helio se fusione en el siguiente elemento con una energía más alta por nucleón (carbono). Sin embargo, debido a la rareza de los elementos intermedios y a la extrema inestabilidad del berilio-8 (el producto de la fusión de dos núcleos de 4 He), este proceso necesita que tres núcleos de helio choquen entre sí casi simultáneamente (véase el proceso triple alfa ). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara carbono significativo en los pocos minutos posteriores al Big Bang, antes de que el universo en expansión primitivo se enfriara a la temperatura y presión en las que la fusión de helio para formar carbono ya no fuera posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción hidrógeno-helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4.
Por lo tanto, todos los elementos más pesados, incluidos los necesarios para los planetas rocosos como la Tierra y para la vida basada en el carbono u otros, tuvieron que producirse, desde el Big Bang, en estrellas que eran lo suficientemente calientes como para fusionar elementos más pesados que el hidrógeno. Todos los elementos que no sean hidrógeno y helio hoy representan solo el 2% de la masa de la materia atómica del universo. El helio-4, por el contrario, constituye aproximadamente el 23% de la materia ordinaria del universo, casi toda la materia ordinaria que no es hidrógeno ( 1 H).