How big is Jądro helu?

Jądro helu jest środkiem atomu helu i składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma około 3,4 femtometra średnicy, wyznaczonej jako dwukrotność jego promienia ładunku, czyli średniego promienia jego ładunku elektrycznego. Femtometr to milionowa część miliardowej części metra (10⁻¹⁵ metra). Jądro helu nazywa się też cząstką alfa.

Rozmiar

Jądro atomowe nie ma twardej krawędzi, więc jego rozmiar podaje się jako promień ładunku. Dla jądra helu zalecana wartość, podana przez amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST), wynosi 1,6785 femtometra. Oznacza to średnicę 3,36 femtometra.

Najdokładniejszy pomiar wykorzystał jądra helu, wokół których zamiast dwóch elektronów krążył pojedynczy mion. Mion to cząstka podobna do elektronu, ale około 200 razy cięższa. Wynik, o którym w 2021 roku donieśli naukowcy pracujący w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii, wynosił 1,67824 femtometra. Jest zgodny z wcześniejszymi eksperymentami, w których strzelano elektronami do jąder helu, i jest 4,8 raza dokładniejszy.

Jądro helu jest niezwykle zwarte. Jest nawet mniejsze niż jądro deuteru, czyli ciężkiej odmiany wodoru. Jądro deuteru zawiera tylko jeden proton i jeden neutron.

Porównania rozmiarów

Jądro helu jest mniej więcej dwukrotnie szersze i mniej więcej czterokrotnie cięższe niż pojedynczy proton, który ma około 1,7 femtometra średnicy.
Jądro uranu zawiera około 60 razy więcej protonów i neutronów niż jądro helu, ale jest tylko około 3,5 raza szersze.
Gdyby jądro helu powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki, atom wodoru w tej samej skali miałby około 7,6 kilometra średnicy.
Około 30 miliardów jąder helu ułożonych obok siebie zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa, która wynosi około 0,1 milimetra.

Cząstki alfa

Wiele ciężkich atomów promieniotwórczych, w tym trzy rodzaje uranu występujące w przyrodzie, rozpada się, wyrzucając jądro helu. Nazywa się to rozpadem alfa. Hel jest zbyt lekki, by grawitacja Ziemi zatrzymała go w atmosferze przez miliardy lat. Hel w powietrzu pochodzi niemal w całości z rozpadu alfa wewnątrz stałej części Ziemi.

Cząstki alfa należały do pierwszych narzędzi fizyki jądrowej. W 1919 roku Ernest Rutherford strzelał nimi do azotu i wybijał protony z jego jąder. W 1930 roku cząstki alfa wystrzelone do metalu berylu wywołały przenikliwe promieniowanie, o którym James Chadwick wykazał w 1932 roku, że składa się z neutronów.

Nazwany od Słońca

Hel znaleziono na Słońcu, zanim znaleziono go na Ziemi. W 1868 roku francuski astronom Pierre Janssen wykrył go w świetle Słońca podczas zaćmienia Słońca. Angielski astronom Joseph Norman Lockyer niezależnie znalazł hel i nazwał go od greckiego słowa oznaczającego Słońce, „helios”. W 1895 roku szkocki chemik William Ramsay znalazł hel na Ziemi, w minerale uranu zwanym kleweitem.