הליום-3

הליום-3 (³He) הוא איזוטופ יציב של הליום המורכב מ-2 פרוטונים ונייטרון אחד. הליום-3 ומימן-1 (¹H) הם שני האיזוטופים היציבים היחידים המכילים יותר פרוטונים מנייטרונים.

הליום-3

כללי
נייטרונים	1
פרוטונים	2
מידע גרעיני
ספין	0.5

תכונות

המסה האטומית של הליום-3 היא 3.02 יחידות מסה אטומיות, בהשוואה ל 4.00 יחידות מסה בהליום-4. אנרגיית נקודת האפס של הליום-3 גבוהה משל הליום-4 ולכן נדרשת פחות אנרגיה תרמית להתגבר על אינטראקציות ואן דר ואלס החלשות. בהתאם לכך נקודת הרתיחה של הליום 3 והנקודה הקריטית נמוכות בהשוואה להליום 4.

	הליום -3	הליום-4
טמפרטורת רתיחה, במעלות קלווין	3.19K	4.23K
נקודה קריטית	3.35K	5.2K
צפיפות בטמפרטורת הרתיחה (בלחץ של אטמוספירה אחת)	59 גרם לליטר	125 גרם לליטר

הליום-3 הוא פרמיון, בניגוד להליום-4 שהוא בוזון, ולכן הוא עובר למצב של נוזל-על בטמפרטורה נמוכה בהרבה משל הליום-4 (ב-0.00249K לעומת 2.17K בהליום-4).

בשנות החמישים של המאה ה־20 גילה הפיזיקאי הסובייטי אייזק פומרנצ'וק (אנ') כי תחת תנאים מסוימים, הליום-3 נוזלי מתמצק בחימום. הסיבה לכך היא שבפאזת המוצק של החומר יש יותר כיוונים אפשריים לספין של האטום, דהיינו האנטרופיה גבוהה יותר.

להליום-3 חתך פעולה גדול לבליעת נייטרונים בתגובה בה נוצר טריטיום ופרוטון: ${}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} \to {}_{1}^{3}\mathrm {T} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$ ולכן משמש למדידת פליטת נייטרונים.

שכיחות

האיזוטופ הליום-3 נפלט מרוח השמש אך נבלם ברובו בהגיעו לכדור הארץ עקב האטמוספירה, ולפיכך, הגז נדיר בכדור הארץ, ושכיחותו היא 0.000137% מכלל ההליום. עם זאת, ברגולית הירח הליום-3 שכיח יותר, עקב היעדר אטמוספירה, וריכוזו בדוגמאות קרקע שהובאו מהירח הוא בין 1 ל-15 חלקים למיליארד (ppb). הריכוזים הגבוהים ביותר נמצאו בים השלווה, בדוגמאות שהובאו במשימת אפולו 11 - 15 חלקים למיליארד, לעומת 8 חלקים למיליארד בדוגמאות של אפולו 17 ולונה 16. במכתשים בקטבי הירח הריכוז המשוער הוא של 50 חלקים למיליארד. הגשושית גלילאו מדדה באטמוספירה של כוכב הלכת צדק שכיחות יחסית דומה לזה שבירח - יחס ³He:⁴He של 1:10,000, הגבוה בערך פי 100 מהיחס בין האיזוטופים בכדור הארץ. משערים שיחס זה משקף את הרכב ההליום בערפילית השמש הקדמונית - ואילו היחס בכדור הארץ הוא תוצאת יצירת הליום-4 מהתפרקויות אלפא של אורניום ותוריום. רוב ההליום-3 שבמעטפת כדור הארץ נלכד במהלך היווצרות כדור הארץ וכמותו הכוללת מוערכת ב 0.1-1 מיליון טון. בנוסף לכך 37,000 טון של הליום-3 שנוצרו מפגיעת קרינה קוסמית נמצאים באטמוספירה, וכן הליום-3 שנוצר מפירוק בטא של טריטיום.

היתוך גרעיני

הליום-3 נחשב כמקור אפשרי לייצור אנרגיה נקיה באמצעות היתוך גרעיני. בניגוד לתגובות גרעיניות אחרות, בהן נפלטים נייטרונים הנבלעים על ידי חומרים אחרים בכור ויצרים פסולת רדיואקטיבית - הרי שבתגובת ההיתוך עם דיאוטריום (D)

${}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{1}^{2}\mathrm {D} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$

או בתגובה בין שני אטומים של הליום-3

${}_{2}^{3}\mathrm {He} +{}_{2}^{3}\mathrm {He} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +2\;{}_{1}^{1}\mathrm {p}$

לא נפלטים נייטרונים, ולכן התהליך עשוי להיות ידידותי ובטוח יותר משיטות אחרות להפקת אנרגיה גרעינית. על פי הערכות מדענים, כ-25 טון של הליום-3 מספיקים על מנת לייצר חשמל עבור ארצות הברית כולה למשך שנה.