How big is Heliumkern?

Ein Heliumkern ist das Zentrum eines Heliumatoms und besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Sein Durchmesser beträgt etwa 3,4 Femtometer – das Doppelte seines Ladungsradius, also des mittleren Radius seiner elektrischen Ladung. Ein Femtometer ist ein Millionstel eines Milliardstels eines Meters (10⁻¹⁵ Meter). Ein Heliumkern wird auch Alphateilchen genannt.

Größe

Ein Atomkern hat keine feste Grenze, daher wird seine Größe als Ladungsradius angegeben. Für den Heliumkern nennt das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) als empfohlenen Wert 1,6785 Femtometer. Damit ergibt sich ein Durchmesser von 3,36 Femtometern.

Die genaueste Messung nutzte Heliumkerne, die statt von zwei Elektronen von einem einzigen Myon umkreist wurden. Ein Myon ist ein Teilchen wie ein Elektron, aber etwa 200-mal schwerer. Ein Team am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz berichtete 2021 von einem Ergebnis von 1,67824 Femtometern. Dieses Ergebnis stimmt mit früheren Experimenten überein, bei denen Elektronen auf Heliumkerne geschossen wurden, und ist 4,8-mal so genau.

Der Heliumkern ist ungewöhnlich kompakt. Er ist sogar kleiner als der Kern von Deuterium, einer schweren Form von Wasserstoff, die nur ein Proton und ein Neutron enthält.

Größenvergleiche

Ein Heliumkern ist etwa doppelt so breit wie ein einzelnes Proton, das einen Durchmesser von etwa 1,7 Femtometern hat, und besitzt etwa die vierfache Masse.
Ein Urankern enthält etwa 60-mal so viele Protonen und Neutronen wie ein Heliumkern, ist aber nur etwa 3,5-mal so breit.
Wäre ein Heliumkern auf die Größe eines Basketballs vergrößert, wäre ein Wasserstoffatom im gleichen Maßstab etwa 7,6 Kilometer groß.
Etwa 30 Milliarden Heliumkerne, nebeneinander gelegt, würden die Breite eines Menschenhaares ergeben, also etwa 0,1 Millimeter.

Alphateilchen

Viele schwere radioaktive Atome, darunter die drei in der Natur vorkommenden Arten von Uran, zerfallen, indem sie einen Heliumkern ausstoßen. Das nennt man Alphazerfall. Helium ist zu leicht, als dass die Erdanziehungskraft es über Milliarden von Jahren in der Atmosphäre halten könnte. Das Helium in der Luft stammt fast vollständig aus Alphazerfällen im festen Erdinneren.

Alphateilchen gehörten zu den ersten Werkzeugen der Kernphysik. 1919 beschoss Ernest Rutherford damit Stickstoff und schlug dabei Protonen aus dessen Atomkernen. 1930 lösten Alphateilchen, die auf das Metall Beryllium geschossen wurden, eine durchdringende Strahlung aus, von der James Chadwick 1932 zeigte, dass sie aus Neutronen besteht.

Benannt nach der Sonne

Helium wurde zuerst in der Sonne entdeckt, bevor man es auf der Erde fand. 1868 wies der französische Astronom Pierre Janssen es während einer Sonnenfinsternis im Licht der Sonne nach. Der englische Astronom Joseph Norman Lockyer fand es unabhängig davon und benannte es nach dem griechischen Wort für Sonne, „Helios“. 1895 entdeckte der schottische Chemiker William Ramsay Helium auf der Erde, in einem Uranmineral namens Cleveit.