हीलियम-4

हीलियम-4 (4Helium) तत्व हीलियम का एक स्थिर समस्थानिक है। यह अब तक हीलियम के दो प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले समस्थानिकों में से अधिक प्रचुर मात्रा में है, जो पृथ्वी पर लगभग 99.99986% हीलियम का निर्माण करता है। इसका नाभिक एक अल्फा कण के समान होता है, और इसमें दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं।

पृथ्वी की उपरी तह में भारी तत्वों का एल्फा क्षय पृथ्वी पर सबसे स्वाभाविक रूप से होने वाली हीलियम -4 का स्रोत है, जो ग्रह के ठंडा होने और जमने के बाद उत्पन्न होता है। जबकि यह सितारों में परमाणु संलयन द्वारा भी निर्मित होता है, सूर्य और ब्रह्मांड में अधिकांश हीलियम -4 को बिग बैंग द्वारा निर्मित माना जाता है, और इसे बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस हीलियम या  प्रिमोर्डियल  हीलियम-4 कहा जाता है। हालांकि, प्रिमोर्डियल हीलियम-4 पृथ्वी से काफी हद तक अनुपस्थित है, जो पृथ्वी के निर्माण के उच्च तापमान चरण के दौरान बच गया है।

हीलियम -4 ब्रह्मांड में द्रव्यमान के सामान्य पदार्थ का लगभग एक चौथाई हिस्सा बनाता है, जिसमें लगभग सभी हाइड्रोजन होते हैं।

जब तरल हीलियम-4 को निम्न तक ठंडा किया जाता है 2.17 K, यह एक सुपरफ्लुइड (अतितरल) बन जाता है, जिसमें ऐसे गुण होते हैं जो सामान्य तरल से बहुत भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, यदि सुपरफ्लुइड हीलियम-4 को एक खुले बर्तन में रखा जाता है, तो एक पतली फिल्म बर्तन के किनारों पर ऊपर चढ़ जाएगी और ओवरफ्लो हो जाएगी। इस स्थिति में इसे "रोलिन फिल्म" कहा जाता है। यह अजीब व्यवहार क्लॉसियस-क्लैपेरॉन संबंध का परिणाम है और चिरसम्मत यांत्रिकी के वर्तमान वैचारिक मॉडल द्वारा समझाया नहीं जा सकता है, न ही परमाणु भौतिकी या विद्युत द्वारा मॉडल—इसे केवल क्वांटम यांत्रिकी घटना के रूप में समझा जा सकता है। हीलियम-4 नाभिक का कुल चक्रण एक पूर्णांक (शून्य) है, और इसलिए यह एक बोसॉन है (जैसा कि हीलियम-4 के तटस्थ परमाणु हैं)। सुपरफ्लुइड व्यवहार को अब बोस-आइंस्टीन संघनन की अभिव्यक्ति माना जाता है, जो केवल बोसॉन के संग्रह के साथ होता है।

यह सिद्धांत है कि 0.2 K और 50 atm पर, ठोस हीलियम-4 एक सुपरग्लास हो सकता है (अक्रिस्टलीय ठोस जो अतितरलता प्रदर्शित करता है)।

चंद्रमा पर हीलियम-4 भी पाया जाता है और—और ऐसे ही पृथ्वी पर यह सबसे प्रचुर मात्रा में हीलियम आइसोटोप है।

हीलियम -4 परमाणु
हीलियम परमाणु दूसरा सबसे सरल परमाणु है (हाइड्रोजन सबसे सरल है), लेकिन अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन एक तीसरे "पिण्ड" का परिचय देता है, इसलिए इसकी तरंग समीकरण का समाधान "तीन- पिण्ड की समस्या" बन जाता है, जिसका कोई विश्लेषणात्मक समाधान नहीं है। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी के समीकरणों के संख्यात्मक सन्निकटन ने के प्रमुख परमाणु गुणों का एक अच्छा अनुमान दिया है, जैसे इसका आकार और आयन।

4He नाभिक का आकार को लंबे समय से 1 फेम्टोमेटेर के परिमाण के क्रम में जाना जाता है। असामान्य हीलियम परमाणुओं के उपयोग से जुड़े एक प्रयोग में जहां एक परमाणु इलेक्ट्रॉन को म्यूऑन द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था, नाभिक का आकार 1.67824(83) fm होने का अनुमान लगाया गया है।

4He की स्थिरता नाभिक और इलेक्ट्रॉन कोश
हीलियम-4 परमाणु का नाभिक एक अल्फा कण के समान है। उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-प्रकीर्णन प्रयोग एक केंद्रीय बिंदु पर अधिकतम से घातीय रूप से घटने के लिए अपने चार्ज को दिखाते हैं, ठीक उसी तरह जैसे कि हीलियम के अपने इलेक्ट्रॉन क्लाउड का चार्ज घनत्व होता है। यह समरूपता समान अंतर्निहित भौतिकी को दर्शाती है: हीलियम के नाभिक में न्यूट्रॉन की जोड़ी और प्रोटॉन की जोड़ी उसी क्वांटम यांत्रिक नियमों का पालन करती है जो हीलियम के इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी करती है (हालांकि परमाणु कण एक अलग परमाणु बाध्यकारी क्षमता के अधीन हैं), ताकि ये सभी फर्मियन जोड़े में 1s इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स पर पूरी तरह से कब्जा कर लेते हैं, उनमें से कोई भी कक्षीय कोणीय गति नहीं रखता है, और प्रत्येक दूसरे के आंतरिक स्पिन को रद्द कर देता है। इनमें से किसी भी कण को ​​जोड़ने के लिए कोणीय गति की आवश्यकता होगी, और काफी कम ऊर्जा जारी करेगा (वास्तव में, पांच न्यूक्लिऑन वाला कोई नाभिक स्थिर नहीं है)। इस प्रकार यह व्यवस्था इन सभी कणों के लिए ऊर्जावान रूप से अत्यधिक स्थिर है, और यह स्थिरता प्रकृति में हीलियम के संबंध में कई महत्वपूर्ण तथ्यों का कारण है।

उदाहरण के लिए, हीलियम के इलेक्ट्रॉन बादल की स्थिरता और कम ऊर्जा हीलियम की रासायनिक जड़ता (सभी तत्वों में सबसे चरम) का कारण बनती है, और एक दूसरे के साथ हीलियम परमाणुओं की परस्पर क्रिया की कमी (सबसे कम गलनांक और क्वथनांक पैदा करती है) अवयव)।

इसी तरह, हीलियम -4 नाभिक की विशेष ऊर्जावान स्थिरता, समान प्रभाव से उत्पन्न होती है, भारी कण उत्सर्जन और संलयन दोनों से जुड़े परमाणु प्रतिक्रियाओं में हीलियम -4 उत्पादन में आसानी के लिए जिम्मेदार होती है। कुछ स्थिर हीलियम -3 हाइड्रोजन से संलयन प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न होता है, लेकिन हीलियम -4 के अत्यधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल उत्पादन की तुलना में यह बहुत छोटा अंश है। हीलियम-4 की स्थिरता का कारण है कि सूर्य में संलयन प्रतिक्रियाओं के दौरान हाइड्रोजन को हीलियम-4 में परिवर्तित किया जाता है, न कि ड्यूटेरियम (हाइड्रोजन-2) या हीलियम-3 या अन्य भारी तत्वों में। यह अल्फा कण के लिए भी आंशिक रूप से जिम्मेदार है जो अब तक परमाणु नाभिक से निकाले जाने वाले सबसे सामान्य प्रकार के बैरोनिक कण हैं; दूसरे शब्दों में, क्लस्टर क्षय की तुलना में अल्फा क्षय कहीं अधिक सामान्य है।

हीलियम-4 नाभिक की असामान्य स्थिरता भी ब्रह्माण्ड विज्ञान की दृष्टि से महत्वपूर्ण है। यह इस तथ्य की व्याख्या करता है कि, बिग बैंग के बाद पहले कुछ मिनटों में, मुक्त प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के सूप के रूप में, जो प्रांरम्भ में लगभग 6:1 के अनुपात में बनाया गया था, उस बिंदु तक ठंडा हो गया जहां परमाणु बंधन संभव था, लगभग सभी परमाणु नाभिक बनाने के लिए हीलियम -4 नाभिक थे। हीलियम-4 में न्यूक्लियंस का बंधन इतना कड़ा है कि इसका उत्पादन बीटा क्षय से पहले कुछ ही मिनटों में लगभग सभी मुक्त न्यूट्रॉन का उपभोग कर लेता है, और भारी परमाणु (विशेष रूप से लिथियम, फीरोज़ा और बोरान) बनाने के लिए बहुत कम छोड़ देता है। हीलियम -4 परमाणु बंधन प्रति न्यूक्लियॉन की ऊर्जा उन तत्वों में से किसी की तुलना में अधिक मजबूत है (न्यूक्लियोजेनेसिस और बाध्यकारी ऊर्जा देखें), और इस प्रकार हीलियम बनने के बाद तत्व 3, 4, और 5 बनाने के लिए कोई ऊर्जावान ड्राइव उपलब्ध नहीं था। हीलियम के लिए उच्च ऊर्जा प्रति न्यूक्लिऑन (कार्बन) के साथ अगले तत्व में फ्यूज करने के लिए यह बमुश्किल ऊर्जावान रूप से अनुकूल है। हालांकि, मध्यवर्ती तत्वों की दुर्लभता और बेरिलियम-8 की अत्यधिक अस्थिरता के कारण (उत्पाद जब दो 4He वह नाभिक फ्यूज), इस प्रक्रिया के लिए तीन हीलियम नाभिकों को लगभग एक साथ टकराने की आवश्यकता होती है (ट्रिपल अल्फा प्रक्रिया देखें)। इस प्रकार बिग बैंग के बाद के कुछ मिनटों में महत्वपूर्ण कार्बन के बनने का कोई समय नहीं था, इससे पहले कि प्रारंभिक विस्तार ब्रह्मांड तापमान और दबाव में ठंडा हो गया जहां कार्बन के लिए हीलियम संलयन अब संभव नहीं था। इसने प्रारंभिक ब्रह्मांड को एक बहुत ही समान हाइड्रोजन-हीलियम अनुपात के साथ छोड़ दिया जैसा कि आज देखा जाता है (3 भाग हाइड्रोजन से 1 भाग हीलियम-4 द्रव्यमान से), ब्रह्मांड में लगभग सभी न्यूट्रॉन हीलियम-4 में फंसे हुए हैं।

सभी भारी तत्व-जिनमें पृथ्वी जैसे चट्टानी ग्रहों और कार्बन-आधारित या अन्य जीवन के लिए आवश्यक शामिल हैं-इस प्रकार, बिग बैंग के बाद से, सितारों में उत्पादित किया जाना था, जो हाइड्रोजन से भारी तत्वों को फ्यूज करने के लिए पर्याप्त गर्म थे। आज हाइड्रोजन और हीलियम के अलावा सभी तत्व ब्रह्मांड में परमाणु पदार्थ के द्रव्यमान का केवल 2% हिस्सा हैं। हीलियम-4, इसके विपरीत, ब्रह्मांड के सामान्य पदार्थ का लगभग 23% बनाता है - लगभग सभी साधारण पदार्थ जो हाइड्रोजन नहीं है (1एच).

यह भी देखें

 * सुपरफ्लुइड हीलियम -4
 * बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस

बाहरी संबंध

 * Superfluid Helium-4 Interactive Properties