How big is Heliumkärna?

En heliumkärna är mitten av en heliumatom och består av två protoner och två neutroner. Den är ungefär 3,4 femtometer i diameter, mätt som två gånger sin laddningsradie, den genomsnittliga radien för dess elektriska laddning. En femtometer är en miljondel av en miljarddels meter (10⁻¹⁵ meter). En heliumkärna kallas också en alfapartikel.

Storlek

En atomkärna har ingen hård kant, så dess storlek anges som en laddningsradie. För heliumkärnan är det rekommenderade värdet, som anges av det amerikanska National Institute of Standards and Technology (NIST), 1,6785 femtometer. Det gör den 3,36 femtometer i diameter.

Den mest exakta mätningen använde heliumkärnor med en enda myon i omloppsbana i stället för två elektroner. En myon är en partikel som liknar en elektron men är ungefär 200 gånger tyngre. Resultatet, som rapporterades år 2021 av ett team som arbetade vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz, var 1,67824 femtometer. Det stämmer överens med tidigare experiment där elektroner sköts mot heliumkärnor och är 4,8 gånger så exakt.

Heliumkärnan är ovanligt kompakt. Den är till och med mindre än kärnan hos deuterium, en tung form av väte, vars kärna bara rymmer en proton och en neutron.

Storleksjämförelser

En heliumkärna är ungefär dubbelt så bred som en enskild proton, som är ungefär 1,7 femtometer i diameter, och har ungefär fyra gånger så stor massa.
En urankärna rymmer ungefär 60 gånger så många protoner och neutroner som en heliumkärna, men är bara ungefär 3,5 gånger så bred.
Om en heliumkärna förstorades till storleken av en basketboll, skulle en väteatom i samma skala vara ungefär 7,6 kilometer i diameter.
Cirka 30 miljarder heliumkärnor, uppradade sida vid sida, skulle spänna över bredden av ett människohår, som är ungefär 0,1 millimeter brett.

Alfapartiklar

Många tunga radioaktiva atomer, däribland de tre sorterna av uran som finns i naturen, sönderfaller genom att kasta ut en heliumkärna. Det kallas alfasönderfall. Helium är för lätt för att jordens gravitation ska hålla kvar det i atmosfären under miljarder år. Heliumet i luften kommer nästan helt från alfasönderfall inuti den fasta jorden.

Alfapartiklar var bland de första verktygen inom kärnfysiken. År 1919 sköt Ernest Rutherford dem mot kväve och slog ut protoner ur kvävets kärnor. År 1930 gav alfapartiklar som sköts mot metallen beryllium upphov till en genomträngande strålning, som James Chadwick 1932 visade bestod av neutroner.

Namnet kommer från solen

Helium hittades i solen innan det hittades på jorden. År 1868 påvisade den franske astronomen Pierre Janssen det i ljuset från solen under en solförmörkelse. Den engelske astronomen Joseph Norman Lockyer fann det också, oberoende av Janssen, och gav det namn efter det grekiska ordet för solen, ”helios”. År 1895 fann den skotske kemisten William Ramsay helium på jorden, i ett uranmineral som kallas cleveit.