How big is Heliumkern?

Een heliumkern is het centrum van een heliumatoom en bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Hij is ongeveer 3,4 femtometer breed, gemeten als twee keer zijn ladingsstraal, de gemiddelde straal van zijn elektrische lading. Een femtometer is een miljoenste van een miljardste van een meter (10⁻¹⁵ meter). Een heliumkern wordt ook een alfadeeltje genoemd.

Grootte

Een atoomkern heeft geen harde rand, dus de grootte wordt opgegeven als ladingsstraal. Voor de heliumkern is de aanbevolen waarde van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) 1,6785 femtometer. Dat maakt hem 3,36 femtometer breed.

Bij de nauwkeurigste meting werden heliumkernen gebruikt waaromheen één muon draaide in plaats van twee elektronen. Een muon is een deeltje dat op een elektron lijkt, maar ongeveer 200 keer zo zwaar is. Het resultaat, in 2021 gemeld door een team dat werkte aan het Paul Scherrer Institut in Zwitserland, was 1,67824 femtometer. Het komt overeen met eerdere experimenten waarbij elektronen op heliumkernen werden afgevuurd en is 4,8 keer zo nauwkeurig.

De heliumkern is ongewoon compact. Hij is zelfs kleiner dan de kern van deuterium, een zware vorm van waterstof. Die kern bevat maar één proton en één neutron.

Groottevergelijkingen

Een heliumkern is ongeveer twee keer zo breed als één proton, dat ongeveer 1,7 femtometer breed is, en heeft ongeveer vier keer zoveel massa.
Een uraniumkern bevat ongeveer 60 keer zoveel protonen en neutronen als een heliumkern, maar is slechts ongeveer 3,5 keer zo breed.
Als een heliumkern werd vergroot tot de grootte van een basketbal, zou een waterstofatoom op dezelfde schaal ongeveer 7,6 kilometer breed zijn.
Ongeveer 30 miljard heliumkernen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, ongeveer 0,1 millimeter.

Alfadeeltjes

Veel zware radioactieve atomen, waaronder de drie soorten uranium die in de natuur voorkomen, vervallen door een heliumkern uit te stoten. Dit heet alfaverval. Helium is te licht om door de zwaartekracht van de Aarde miljarden jaren in de atmosfeer te worden vastgehouden. Het helium in de lucht komt bijna helemaal van alfaverval in de vaste Aarde.

Alfadeeltjes behoorden tot de eerste hulpmiddelen van de kernfysica. In 1919 vuurde Ernest Rutherford ze af op stikstof en sloeg hij protonen uit de kernen van stikstof. In 1930 veroorzaakten alfadeeltjes die op het metaal beryllium werden afgevuurd een doordringende straling, waarvan James Chadwick in 1932 aantoonde dat die uit neutronen bestond.

Genoemd naar de Zon

Helium werd in de Zon ontdekt voordat het op de Aarde werd gevonden. In 1868 nam de Franse astronoom Pierre Janssen het waar in licht van de Zon tijdens een zonsverduistering. De Engelse astronoom Joseph Norman Lockyer vond het onafhankelijk van hem en noemde het naar het Griekse woord voor de Zon, “helios”. In 1895 vond de Schotse scheikundige William Ramsay helium op de Aarde, in een uraniummineraal dat cleveïet heet.