25-11-2023
| Гелий-3 | |
|---|---|
| Общие сведения | |
| Название, символ | Гелий-3, 3He |
| Нейтронов | 1 |
| Протонов | 2 |
| Свойства нуклида | |
| Атомная масса | 3,0160293191(26)[1] а. е. м. |
| Избыток массы | 14 931,2148(24)[1] кэВ |
| Удельная энергия связи (на нуклон) | 2 572,681(1)[1] кэВ |
| Изотопная распространённость | 0,000137(3)[2] % |
| Период полураспада | стабильный[2] |
| Родительские изотопы | 3H (β−) |
| Спин и чётность ядра | 1/2+[2] |
Гелий-3 — самый лёгкий из изотопов гелия, один из двух его стабильных изотопов.
Содержание |
Ядро гелия-3(3) (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4, имеющего в составе по два протона и нейтрона. Природная изотопная распространённость гелия-3 составляет 0,000137 % (в атмосфере Земли; в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования и т. п.)[2]. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Оба изотопа гелия постоянно улетучиваются из атмосферы в космос, однако убыль гелия-4 на Земле восполняется за счёт альфа-распада урана, тория и их дочерних нуклидов (альфа-частица — это ядро гелия-4). В отличие от более тяжёлого изотопа, гелий-3 не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада космогенного трития). Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; считается, что его изотопная распространённость в мантии составляет 200—300 частей на миллион частей гелия-4, то есть на 2 порядка больше, чем в атмосфере. Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько килограмм в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04 %) значительно выше, чем в земной атмосфере.
Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939.
Атомная масса гелия-3 равна 3,016 (у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства весьма отличаются). Гелий-3 кипит при 3,19 К (гелий-4 — при 4,23 К), его критическая точка равна 3,35 К (у гелия-4 — 5,19 К). Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна 59 г/л, тогда как у гелия-4 она равна 124,73 г/л, в 2 раза больше. Удельная теплота испарения равна 26 Дж/моль (у гелия-4 — 82,9 Дж/моль).
Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году. В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм. Ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов. За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия по физике Дугласу Ошерову, Роберту Ричардсону и Дэвиду Ли. В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3.[3]
Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция
Заряженные продукты реакции — тритон и протон — регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.
Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур.
Поляризованный гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.
Средняя цена гелия-3 в 2009 году составила $930 за литр[4].
Реакция 3Не + D → 4Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4Не + n. К этим преимуществам относятся:
К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться.
В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.
Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год.
Другое дело — Луна, у которой нет атмосферы. В результате, этого ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн[5]). При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти[6] (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее 100 млн тонн грунта.
