Il nucleo dell’atomo di elio-4 è identico a una particella alfa. Gli esperimenti di dispersione di elettroni ad alta energia mostrano che la sua carica diminuisce esponenzialmente da un massimo in un punto centrale, esattamente come la densità di carica della nube di elettroni di elio., Questa simmetria riflette una fisica di base simile: la coppia di neutroni e la coppia di protoni nel nucleo dell’elio obbediscono alle stesse regole della meccanica quantistica della coppia di elettroni dell’elio (sebbene le particelle nucleari siano soggette a un diverso potenziale di legame nucleare), in modo che tutti questi fermioni occupino completamente gli orbitali 1s in coppie, nessuno dei quali possiede il momento angolare orbitale, e ciascuno annulla lo spin intrinseco dell’altro., L’aggiunta di un’altra di queste particelle richiederebbe momento angolare e rilascerebbe sostanzialmente meno energia (infatti, nessun nucleo con cinque nucleoni è stabile). Questa disposizione è quindi energeticamente estremamente stabile per tutte queste particelle, e questa stabilità rappresenta molti fatti cruciali per quanto riguarda l’elio in natura.,
Ad esempio, la stabilità e la bassa energia della nube di elettroni di elio causano l’inerzia chimica dell’elio (il più estremo di tutti gli elementi), e anche la mancanza di interazione degli atomi di elio tra loro (producendo i punti di fusione e ebollizione più bassi di tutti gli elementi).
In modo simile, la particolare stabilità energetica del nucleo di elio-4, prodotta da effetti simili, spiega la facilità di produzione di elio-4 nelle reazioni atomiche che coinvolgono sia l’emissione di particelle pesanti che la fusione., Alcuni elio-3 stabili sono prodotti nelle reazioni di fusione dall’idrogeno, ma è una frazione molto piccola, rispetto alla produzione altamente energeticamente favorevole di elio-4. La stabilità dell’elio-4 è la ragione per cui l’idrogeno viene convertito in elio-4 e non in deuterio (idrogeno-2) o elio-3 o altri elementi più pesanti durante le reazioni di fusione al Sole. È anche in parte responsabile del fatto che la particella alfa è di gran lunga il tipo più comune di particella barionica da espellere da un nucleo atomico; in altre parole, il decadimento alfa è molto più comune del decadimento del cluster.,
Energia di legame per nucleone di isotopi comuni. L’energia di legame per particella di elio-4 è significativamente più grande di tutti i nuclidi vicini.
L’insolita stabilità del nucleo di elio-4 è anche importante cosmologicamente. Spiega il fatto che, nei primi minuti dopo il Big Bang, mentre la “zuppa” di protoni e neutroni liberi che era stata inizialmente creata in circa un rapporto 6:1 si raffreddava al punto in cui era possibile il legame nucleare, quasi tutti i nuclei atomici da formare erano nuclei di elio-4., Il legame dei nucleoni nell’elio-4 è così stretto che la sua produzione ha consumato quasi tutti i neutroni liberi in pochi minuti, prima che potessero decadere beta, e ne ha lasciati pochissimi per formare atomi più pesanti (specialmente litio, berillio e boro). L’energia del legame nucleare elio-4 per nucleone è più forte che in uno qualsiasi di questi elementi (vedi nucleogenesi e energia di legame), e quindi non era disponibile alcuna “spinta” energetica per creare gli elementi 3, 4 e 5 una volta che l’elio era stato formato. È a malapena energeticamente favorevole per l’elio per fondersi nell’elemento successivo con una maggiore energia per nucleone (carbonio)., Tuttavia, a causa della rarità degli elementi intermedi e dell’estrema instabilità del berillio-8 (il prodotto quando due nuclei 4He si fondono), questo processo richiede tre nuclei di elio che si colpiscono l’un l’altro quasi simultaneamente (vedi processo triplo alfa). Non c’era quindi tempo per la formazione di carbonio significativo nei pochi minuti dopo il Big Bang, prima che l’universo in espansione iniziale si raffreddasse alla temperatura e alla pressione in cui la fusione dell’elio con il carbonio non era più possibile., Questo ha lasciato l’universo primordiale con un rapporto idrogeno–elio molto simile a quello osservato oggi (3 parti di idrogeno a 1 parte di elio-4 in massa), con quasi tutti i neutroni nell’universo intrappolati in elio-4.
Tutti gli elementi più pesanti—compresi quelli necessari per pianeti rocciosi come la Terra, e per la vita a base di carbonio o di altra natura-dovevano quindi essere prodotti, dal Big Bang, in stelle che erano abbastanza calde da fondere elementi più pesanti dell’idrogeno. Tutti gli elementi diversi dall’idrogeno e dall’elio rappresentano oggi solo il 2% della massa di materia atomica nell’universo., L’elio-4, al contrario, costituisce circa il 23% della materia ordinaria dell’universo—quasi tutta la materia ordinaria che non è idrogeno (1H).