Isotopen van helium

Het chemisch element helium (He), met een atoommassa van 4,002602(2) u, bezit twee natuurlijk voorkomende isotopen: helium-3 (³He) en helium-4. De overige radio-isotopen zijn zeer onstabiel en hebben een korte halveringstijd, waarbij helium-6 nog het langst in stand blijft, met een halfwaardetijd van 806,7 milliseconden. De radio-isotopen worden synthetisch in het laboratorium bereid.

De meest voorkomende heliumisotoop is helium-4, dat een kern heeft die uit twee protonen en twee neutronen bestaat. Dit is een ongebruikelijk stabiele nucleaire configuratie omdat de kern een volle schil heeft met een zogenaamd magisch aantal kerndeeltjes.

Veel zwaardere kernen vervallen door emissie van een helium-4-kern, een proces dat alfaverval wordt genoemd. Deze heliumkernen worden daarom ook wel alfadeeltjes genoemd. Een groot deel van het op aarde aanwezige helium is zo ontstaan. Een tweede heliumisotoop, helium-3, heeft slechts een neutron. Er zijn ook zwaardere isotopen, maar deze zijn radioactief. Helium-3 komt op Aarde relatief minder voor, doordat verval van zwaardere elementen alleen helium-4 produceert en atmosferisch helium relatief snel naar het heelal weglekt. De verhouding tussen de twee isotopen (helium-3/helium-4) is in de Zon (gemeten in de zonnewind^[1][2]) ongeveer vier keer hoger dan in meteorieten^[3] en 300 keer hoger dan in de aardatmosfeer.^[3]

In de geochemie wordt de verhouding helium-3/helium-4 gebruikt om de oorsprong van lava en magma te bepalen. Het idee is dat de bovenmantel door convectiestroming alle oorspronkelijk erin aanwezige gassen is kwijtgeraakt, maar dat de ondermantel nog relatief veel van de uit de Zonnenevel afkomstige helium-3 bevat. Lava's en magma's met een hogere helium-3/helium-4, zoals bij hotspotvulkanisme voorkomen, worden verondersteld uit een relatief ongemengd reservoir afkomstig te zijn. Het vermoeden is dat dit reservoir zich in de D"-laag of nabij de kern-mantelgrens bevindt. Dat betekent dat deze magma's afkomstig zijn van relatief veel grotere diepte dan gebruikelijk.

De isotopen helium-3 en helium-4 werden beide in grote hoeveelheden gevormd in oerknal-nucleosynthese tijdens de oerknal.

1. ↑ (en) Geiss, J. & Reeves, H.; 1972: Cosmic and Solar System Abundances of Deuterium and Helium-3, Astronomy and Astrophysics 18, p. 126
2. ↑ (en) Benkert, J.-P.; Baur, H.; Signer, P. & Wieler, R.; 1993: He, Ne, and Ar from the solar wind and solar energetic particles in lunar ilmenites and pyroxenes, Journal of Geophysical Research 98, p. 13.147-13.162
3. ↑ ^{a b} (en) Ozima, M. & Podosek, F. A.; 1983: Noble Gas Geochemistry, Cambridge University Press