Hēlijs-3

Hēlija-3 atoma shematiska uzbūve

Hēlijs-3 ir vieglākais no hēlija stabilajiem izotopiem. Atšķirībā no daudz vairāk izplatītā hēlija-4, kura kodols satur 2 protonus un 2 neitronus, hēlija-3 kodols (helions) sastāv no diviem protoniem un viena neitrona (tā masas skaitlis ir 3).

Vēsture

Hēlija-3 eksistenci paredzēja austrāliešu zinātnieks Marks Olifants 1934. gadā, bet praktiski šo izotopu atklāja Luiss Alvaress un Roberts Kornogs 1939. gadā. Šķidru hēliju-3 izdevās iegūt tikai 1943. gadā, bet tā supraplūstamību atklāja 1972. gadā.

2003. gadā Aleksejs Abrikosovs, Vitālijs Ginzburgs un Entonijs Legeti saņēma Nobela prēmiju fizikā par supravadītspējas un supraplūstamības teorijas izstrādi, ietverot arī šķidrā hēlija-3 supraplūstamības teoriju.

Atrašanās dabā

Zemes atmosfērā atrodamais hēlijs satur tikai 0,00014% hēlija-3 un kopējie hēlija-3 krājumi atmosfērā ir aptuveni 4000 tonnu. Abi hēlija izotopi pamazām izgaist no atmosfēras, jo Zemes pievilkšanas spēks hēlija vieglos atomus nespēj ilgstoši noturēt. Tomēr hēlija-4 krājumi nemitīgi atjaunojas urāna, torija un citu smago radioaktīvo elementu alfa sabrukšanas rezultātā, tādēļ tā saturs atmosfērā ir pastāvīgs. Turpretī hēlijs-3 uz Zemes praktiski neveidojas (tas var rasties kosmiskās izcelsmes tritija sabrukšanas procesā, alfa daļiņām un kosmiskajiem stariem iedarbojoties uz litija kodoliem, kā arī no Saules vēja). Lielākā daļa hēlija-3 ir saglabājusies uz Zemes no tās izveidošanās laika un Zemes mantijā hēlija-3 attiecība pret hēliju-4 ir ap 100 reižu lielāka nekā atmosfērā. Tomēr tiek novērtēts, ka no mantijas caur garozas lūzumiem un vulkāniem atmosfērā izdalās tikai daži kilogrami hēlija-3 gadā. Saules sastāvā un milzu planētu atmosfērās ir būtiski lielāks hēlija-3 saturs. Uz Mēness virsmas regolītā miljardiem gadu ilgā laikā Saules vēja iedarbībā ir radušies ievērojami hēlija-3 krājumi - tonna Mēness grunts satur 28 g hēlija-4 un 0,01 g hēlija-3 (hēlija-3 saturs sasniedz 0,04%, kas ir būtiski vairāk, nekā Zemes atmosfērā).

Iegūšana

Pašlaik (21. gadsimta sākumā) hēliju-3 iegūst tikai mākslīgi - tritija radioaktīvās sabrukšanas rezultātā. Grams hēlija-3 maksā apmēram 1500 dolāru un pasaulē gadā tiek iegūti daži desmiti gramu šī izotopa. Tā kā uz Mēness var būt līdz 10 miljoniem tonnu hēlija-3, tiek apsvērta iespēja nākotnē iegūt to no Mēness regolīta. Lai iegūtu 1 g hēlija-3, būtu jāpārstrādā vismaz 100 tonnas Mēness grunts.

Fiziskās īpašības

Tīra hēlija-3 fiziskās īpašības jūtami atšķiras no "parastā" hēlija īpašībām, jo to atommasas ir stipri dažādas. Hēlija-3 viršanas temperatūra ir tikai 3,19 K (hēlijam-4 tā ir 4,22 K) un blīvums viršanas temperatūrā un normālā spiedienā ir 59 kg/m³ (divreiz vairāk nekā hēlijam-4). Arī īpatnējais iztvaikošanas siltums hēlijam-3 ir vairākas reizes lielāks nekā hēlijam-4. Hēlijs-3, atšķirībā no hēlija-4, pāriet supraplūstošā stāvoklī tikai ārkārtīgi zemā, absolūtajai nullei ļoti tuvā temperatūrā zem 0,0026 K.

Izmantošana

Ar hēliju-3 pildītus Geigera skaitītājus izmanto neitronu starojuma detektēšanai. Hēlija-3 kodoli reaģē ar neitroniem, veidojot elektriski lādētus tritonus un protonus, kas rada gāzizlādi Geigera skaitītājā:

n + ³He → ³H + ¹H + 0,764 MeV.

Šķīdinot šķidru hēliju-3 šķidrā hēlijā-4, var iegūt temperatūras, kas tikai par grāda tūkstošdaļām atšķiras no absolūtās nulles.

Hēliju-3 lieto kodoltermiskās sintēzes pētījumos. 1 tonnas hēlija-3 un 0,67 tonnu deitērija kodoltermiskajā reakcijā izdalās enerģijas daudzums, kas ekvivalents 15 miljonu tonnu naftas sadedzināšanai, tādēļ uz to tiek liktas lielas cerības nākotnes enerģētikā.