de kern van het helium-4-atoom is identiek aan een alfadeeltje. High-energy electron-scattering experimenten laten zien dat zijn lading exponentieel afneemt van een maximum op een centraal punt, precies zoals de ladingsdichtheid van helium ‘ s eigen elektronenwolk., Deze symmetrie weerspiegelt soortgelijke onderliggende fysica: het paar neutronen en het paar protonen in de kern van helium volgen dezelfde kwantummechanische regels als het paar elektronen van helium (hoewel de kerndeeltjes onderworpen zijn aan een ander kernbindingspotentieel), zodat al deze fermionen volledig 1s orbitalen in paren bezetten, geen van hen bezit een orbitale impulsmoment, en elk van hen de intrinsieke spin van de ander teniet doen., Het toevoegen van een andere van deze deeltjes zou hoekmoment vereisen, en zou aanzienlijk minder energie vrijgeven (in feite is geen kern met vijf nucleonen stabiel). Deze opstelling is dus energetisch extreem stabiel voor al deze deeltjes, en deze stabiliteit is verantwoordelijk voor vele cruciale feiten met betrekking tot helium in de natuur.,de stabiliteit en de lage energie van de elektronenwolk van helium bijvoorbeeld veroorzaakt de chemische inertheid van helium (de meest extreme van alle elementen), en ook het gebrek aan interactie van heliumatomen met elkaar (waardoor het laagste smelt-en kookpunt van alle elementen ontstaat).
op soortgelijke wijze is de bijzondere energetische stabiliteit van de helium-4-kern, veroorzaakt door soortgelijke effecten, verantwoordelijk voor het gemak van de helium-4-productie bij atomaire reacties waarbij zowel zware deeltjesemissie als fusie betrokken zijn., Sommige stabiele helium-3 wordt geproduceerd in fusiereacties van waterstof, maar het is een zeer kleine fractie, vergeleken met de zeer energetisch gunstige productie van helium-4. De stabiliteit van helium-4 is de reden dat waterstof wordt omgezet in helium-4, en niet deuterium (waterstof-2) of helium-3 of andere zwaardere elementen tijdens fusiereacties in de zon. Het is ook deels verantwoordelijk voor het alfadeeltje dat veruit het meest voorkomende type baryonische deeltje is dat uit een atoomkern wordt uitgeworpen; met andere woorden, alfabederf komt veel vaker voor dan clusterbederf.,
bindingsenergie per nucleon van veelvoorkomende isotopen. De bindingsenergie per deeltje van helium-4 is beduidend groter dan alle nabijgelegen nucliden.
de ongebruikelijke stabiliteit van de helium-4-kern is ook kosmologisch belangrijk. Het verklaart het feit dat, in de eerste paar minuten na de oerknal, als de “soep” van vrije protonen en neutronen die aanvankelijk in ongeveer een 6:1-verhouding waren gecreëerd tot het punt waar nucleaire binding mogelijk was, bijna alle atoomkernen om te vormen helium-4 kernen waren., De binding van de nucleonen in helium-4 is zo strak dat de productie ervan bijna alle vrije neutronen in een paar minuten verbruikt, voordat ze konden beta-verval, en liet zeer weinig om zwaardere atomen te vormen (vooral lithium, beryllium, en borium). De energie van helium-4 nucleaire binding per nucleon is sterker dan in elk van deze elementen( zie nucleogenese en bindingsenergie), en dus was er geen energetische “aandrijving” beschikbaar om elementen 3, 4 en 5 te maken zodra helium was gevormd. Het is nauwelijks energetisch gunstig voor helium om te smelten in het volgende element met een hogere energie per nucleon (koolstof)., Echter, vanwege de zeldzaamheid van tussenelementen, en extreme instabiliteit van beryllium-8 (het product wanneer twee 4HE kernen fuseren), dit proces vereist drie helium kernen raken elkaar bijna gelijktijdig (zie triple alpha proces). Er was dus geen tijd om significante koolstof te vormen in de paar minuten na de oerknal, voordat het vroege uitdijende universum afkoelde tot de temperatuur en druk waar heliumfusie met koolstof niet langer mogelijk was., Dit liet het vroege heelal met een zeer vergelijkbare waterstof–helium verhouding als vandaag wordt waargenomen (3 delen waterstof aan 1 deel helium-4 Door massa), met bijna alle neutronen in het heelal gevangen in helium-4.
alle zwaardere elementen-inclusief die welke nodig zijn voor rotsachtige planeten zoals de aarde, en voor op koolstof gebaseerd of ander leven-moesten dus, sinds de oerknal, geproduceerd worden in sterren die warm genoeg waren om elementen zwaarder dan waterstof te smelten. Alle elementen behalve waterstof en helium zijn vandaag de dag goed voor slechts 2% van de massa van atomaire materie in het universum., Helium-4, daarentegen, maakt ongeveer 23% uit van de gewone materie van het universum-bijna alle gewone materie die geen waterstof is (1H).