How big is Heeliumi tuum?

Heeliumi tuum on heeliumi aatomi keskosa, mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Selle läbimõõt on umbes 3,4 femtomeetrit, mõõdetuna laengu raadiuse kahekordsena; laengu raadius on selle elektrilaengu keskmine raadius. Femtomeeter on miljondik meetri miljardikust (10⁻¹⁵ meetrit). Heeliumi tuuma nimetatakse ka alfaosakeseks.

Suurus

Tuumal puudub kõva serv, mistõttu antakse selle suurus laengu raadiusena. Heeliumi tuuma puhul on Ameerika Ühendriikide riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi (NIST) esitatud soovitatav väärtus 1,6785 femtomeetrit. Seega on tuuma läbimõõt 3,36 femtomeetrit.

Kõige täpsemas mõõtmises kasutati heeliumi tuumasid, mille ümber tiirles kahe elektroni asemel üks müüon. Müüon on elektroni sarnane osake, kuid umbes 200 korda raskem. Tulemus, millest Šveitsi Paul Scherreri Instituudis töötanud töörühm 2021. aastal teatas, oli 1,67824 femtomeetrit. See on kooskõlas varasemate katsetega, kus heeliumi tuumade pihta tulistati elektrone, ja on 4,8 korda täpsem.

Heeliumi tuum on ebatavaliselt kompaktne. See on isegi väiksem kui deuteeriumi tuum. Deuteerium on vesiniku raske vorm ja selle tuumas on vaid üks prooton ja üks neutron.

Suuruste võrdlused

Heeliumi tuum on umbes kaks korda nii lai kui üksik prooton, mille läbimõõt on umbes 1,7 femtomeetrit, ja umbes neli korda nii massiivne.
Uraani aatomituum sisaldab umbes 60 korda rohkem prootoneid ja neutroneid kui heeliumi tuum, kuid on vaid umbes 3,5 korda laiem.
Kui heeliumi tuum oleks suurendatud korvpalli suuruseks, oleks vesiniku aatom samas mõõtkavas umbes 7,6 kilomeetri läbimõõduga.
Umbes 30 miljardit heeliumi tuuma, kõrvuti asetatud, ulatuksid inimese juuksekarva laiuseni, mis on umbes 0,1 millimeetrit.

Alfaosakesed

Paljud rasked radioaktiivsed aatomid, sealhulgas kolm looduses leiduvat uraani isotoopi, lagunevad, paisates välja heeliumi tuuma. Seda nimetatakse alfalagunemiseks. Heelium on liiga kerge, et Maa gravitatsioon suudaks seda miljardite aastate jooksul atmosfääris hoida. Õhus olev heelium pärineb peaaegu täielikult tahke Maa sees toimuvast alfalagunemisest.

Alfaosakesed olid tuumafüüsika esimeste vahendite hulgas. 1919. aastal tulistas Ernest Rutherford nendega lämmastikku ja lõi selle tuumadest prootoneid välja. 1930. aastal tekitasid metallilise berülliumi pihta tulistatud alfaosakesed läbitungiva kiirguse, mille kohta James Chadwick 1932. aastal näitas, et see koosneb neutronitest.

Päikese järgi nimetatud

Heelium leiti Päikeselt enne, kui see leiti Maalt. 1868. aastal tuvastas prantsuse astronoom Pierre Janssen selle Päikeselt tulnud valguses päikesevarjutuse ajal. Inglise astronoom Joseph Norman Lockyer leidis selle iseseisvalt ja nimetas selle Päikese kreekakeelse nimetuse „helios“ järgi. 1895. aastal leidis šoti keemik William Ramsay heeliumi Maalt, uraanimineraalist nimega kleveiit.