הליום-3

הליום-3
כללי
נייטרונים	1
פרוטונים	2
מידע גרעיני
ספין	0.5

הליום-3 (³He) הוא איזוטופ יציב של הליום המורכב מ-2 פרוטונים ונייטרון אחד. הליום-3 ומימן-1 (¹H) הם שני האיזוטופים היציבים היחידים המכילים יותר פרוטונים מנייטרונים.

תכונות

המסה האטומית של הליום-3 היא 3.02 יחידות מסה אטומיות, בהשוואה ל 4.00 יחידות מסה בהליום-4. אנרגיית נקודת האפס של הליום-3 גבוהה משל הליום-4 ולכן נדרשת פחות אנרגיה תרמית להתגבר על אינטראקציות ואן דר ואלס החלשות. בהתאם לכך נקודת הרתיחה של הליום 3 והנקודה הקריטית נמוכות בהשוואה להליום 4.

	הליום -3	הליום-4
טמפרטורת רתיחה, במעלות קלווין	3.19K	4.23K
נקודה קריטית	3.35K	5.2K
צפיפות בטמפרטורת הרתיחה (בלחץ של אטמוספירה אחת)	59 גרם לליטר	125 גרם לליטר

הליום-3 הוא פרמיון, בניגוד להליום-4 שהוא בוזון, ולכן הוא עובר למצב של נוזל-על בטמפרטורה נמוכה בהרבה משל הליום-4 (ב-0.00249K לעומת 2.17K בהליום-4).^[1]

בשנות החמישים של המאה ה־20 גילה הפיזיקאי הסובייטי אייזק פומרנצ'וק (אנ') כי תחת תנאים מסוימים, הליום-3 נוזלי מתמצק בחימום^[2]. הסיבה לכך היא שבפאזת המוצק של החומר יש יותר כיוונים אפשריים לספין של האטום, דהיינו האנטרופיה גבוהה יותר^[3].

להליום-3 חתך פעולה גדול לבליעת נייטרונים בתגובה בה נוצר טריטיום ופרוטון: ${}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} \to {}_{1}^{3}\mathrm {T} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$ ולכן משמש למדידת פליטת נייטרונים.

שכיחות

האיזוטופ הליום-3 נפלט מרוח השמש אך נבלם ברובו בהגיעו לכדור הארץ עקב האטמוספירה, ולפיכך, הגז נדיר בכדור הארץ, ושכיחותו היא 0.000137% מכלל ההליום. עם זאת, ברגולית הירח הליום-3 שכיח יותר, עקב היעדר אטמוספירה, וריכוזו בדוגמאות קרקע שהובאו מהירח הוא בין 1 ל-15 חלקים למיליארד (ppb). הריכוזים הגבוהים ביותר נמצאו בים השלווה, בדוגמאות שהובאו במשימת אפולו 11 - 15 חלקים למיליארד, לעומת 8 חלקים למיליארד בדוגמאות של אפולו 17 ולונה 16.^[4] במכתשים בקטבי הירח הריכוז המשוער הוא של 50 חלקים למיליארד.^[5] הגשושית גלילאו מדדה באטמוספירה של כוכב הלכת צדק שכיחות יחסית דומה לזה שבירח - יחס ³He:⁴He של 1:10,000, הגבוה בערך פי 100 מהיחס בין האיזוטופים בכדור הארץ. משערים שיחס זה משקף את הרכב ההליום בערפילית השמש הקדמונית - ואילו היחס בכדור הארץ הוא תוצאת יצירת הליום-4 מהתפרקויות אלפא של אורניום ותוריום. רוב ההליום-3 שבמעטפת כדור הארץ נלכד במהלך היווצרות כדור הארץ וכמותו הכוללת מוערכת ב 0.1-1 מיליון טון. בנוסף לכך 37,000 טון של הליום-3 שנוצרו מפגיעת קרינה קוסמית נמצאים באטמוספירה, וכן הליום-3 שנוצר מפירוק בטא של טריטיום.

היתוך גרעיני

הליום-3 נחשב כמקור אפשרי לייצור אנרגיה נקיה באמצעות היתוך גרעיני. בניגוד לתגובות גרעיניות אחרות, בהן נפלטים נייטרונים הנבלעים על ידי חומרים אחרים בכור ויצרים פסולת רדיואקטיבית - הרי שבתגובת ההיתוך עם דיאוטריום (D)

${}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{1}^{2}\mathrm {D} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$

או בתגובה בין שני אטומים של הליום-3

${}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{2}^{3}\mathrm {He} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +2\;{}_{1}^{1}\mathrm {p}$

לא נפלטים נייטרונים, ולכן התהליך עשוי להיות ידידותי ובטוח יותר משיטות אחרות להפקת אנרגיה גרעינית. על פי הערכות מדענים, כ-25 טון של הליום-3 מספיקים על מנת לייצר חשמל עבור ארצות הברית כולה למשך שנה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא הליום-3 בוויקישיתוף

הערות שוליים

^ Leggett, A. J. (1972). "Interpretation of Recent Results on He³ below 3 mK: A New Liquid Phase?". Physical Review Letters. 29 (18): 1227–1230. Bibcode:1972PhRvL..29.1227L. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1227.
^ Asaf Rozen, Jeong Min Park, Uri Zondiner, Yuan Cao, Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene, Nature 592, 2021-04, עמ' 214–219 doi: 10.1038/s41586-021-03319-3
^ אסף רונאל, האם תוספת אי סדר יכולה ליצור סדר? לאלקטרונים יש תשובה מפתיעה, באתר הארץ, ‏8 באפריל 2021
^ Slyuta, E. N., A. M. Abdrakhimov, and E. M. Galimov. "The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith." Lunar and Planetary Science Conference. Vol. 38. 2007.
^ Cocks, Franklin Hadley., 3He in permanently shadowed lunar polar surfaces.", Icarus 206.2 (2010): 778-779

[1] Leggett, A. J. (1972). "Interpretation of Recent Results on He³ below 3 mK: A New Liquid Phase?". Physical Review Letters. 29 (18): 1227–1230. Bibcode:1972PhRvL..29.1227L. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1227.

[2] Asaf Rozen, Jeong Min Park, Uri Zondiner, Yuan Cao, Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene, Nature 592, 2021-04, עמ' 214–219 doi: 10.1038/s41586-021-03319-3

[3] אסף רונאל, האם תוספת אי סדר יכולה ליצור סדר? לאלקטרונים יש תשובה מפתיעה, באתר הארץ, ‏8 באפריל 2021

[4] Slyuta, E. N., A. M. Abdrakhimov, and E. M. Galimov. "The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith." Lunar and Planetary Science Conference. Vol. 38. 2007.

[5] Cocks, Franklin Hadley., 3He in permanently shadowed lunar polar surfaces.", Icarus 206.2 (2010): 778-779

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]