הליום-3

תבנית:איזוטופ 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.

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).תבנית:הערה

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 יותרתבנית:הערה.

להליום-3 חתך פעולה גדול לבליעת נייטרונים בתגובה בה נוצר טריטיום ופרוטון: ${}_2^3\mathrm{H}\mathrm{e}+{}_0^1\mathrm{n}\to {}_1^3\mathrm{T}+{}_1^1\mathrm{p}$ 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.תבנית:הערה במכתשים בקטבי הירח הריכוז המשוער הוא של 50 חלקים למיליארד.תבנית:הערה 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)

${}_2^3\mathrm{H}\mathrm{e}+{}_1^2\mathrm{D}\to {}_2^4\mathrm{H}\mathrm{e}+{}_1^1\mathrm{p}$

או בתגובה בין שני אטומים של הליום-3

${}_2^3\mathrm{H}\mathrm{e}+{}_2^3\mathrm{H}\mathrm{e}\to {}_2^4\mathrm{H}\mathrm{e}+2{}_1^1\mathrm{p}$

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.