Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Основные изотопы водорода  ( 1 H)
ИзотопРазлагаться
избытокпериод полураспада ( т 1/2 )Режимтовар
1 ч99,99%стабильный
2 ч0,01%стабильный
3 чслед12.32 годаβ -3 Он
Стандартный атомный вес A r, стандартный (H)
  • [1.007 84 , 1.008 11 ] [1]
  • Обычный: 1,008
Три самых стабильных изотопа водорода: протий ( A = 1), дейтерий ( A = 2) и тритий ( A = 3).

Водород ( 1 H) имеет три встречающихся в природе изотопа , иногда обозначаемых 1 H, 2 H и 3 H. Первые два из них стабильны, а 3 H имеет период полураспада 12,32 года. Есть также более тяжелые изотопы, все они синтетические и имеют период полураспада менее одной зептосекунды (10 −21 секунда). Из них 5 H являются наиболее стабильными, а 7 H - наименее устойчивыми . [2] [3]

Водород - единственный элемент , изотопы которого имеют разные названия, обычно используемые сегодня: изотоп 2 H (или водород-2) - это дейтерий [4], а изотоп 3 H (или водород-3) - это тритий . [5] Символы D и T иногда используются для обозначения дейтерия и трития. ИЮПАК принимает символы и Т - D, но вместо того, чтобы рекомендует , используя стандартные изотопные символы ( 2 H и 3 H) , чтобы избежать путаницы в алфавитной сортировки химических формул . [6] Обычный изотоп водорода без нейтронов иногда называют протием.. [7] (Во время ранних исследований радиоактивности некоторым другим тяжелым радиоактивным изотопам были даны имена , но сегодня такие имена используются редко.)

Список изотопов [ править ]

Нуклид [8]
ZNИзотопная масса ( Да ) [9] [n 1]
Период полураспада

[ ширина резонанса ]		Режим распада
[n 2]		Дочерний изотоп
[n 3]		Спин и
четность
[n 4] [n 5]		Естественное изобилие (мольная доля)Примечание
Нормальная пропорцияДиапазон вариации
1 ч101,007 825 032 24 (9)Конюшня [n 6] [n 7]1/2 +0,999 885 (70)0,999 816 -0,999 974Protium
2 H (D) [n 8] [n 9]112,014 101 778 11 (12)Стабильный1+0,000 115 (70) [n 10]0,000 026 -0,000 184Дейтерий
3 H (T) [n 11]123,016 049 281 99 (23)12.32 (2) гβ -3
Он
1/2 +След [n 12]Тритий
4
ЧАС
134,026 43 (11)1,39 (10) × 10 −22  с
[3,28 (23)  МэВ ]		п3
ЧАС
2−
5
ЧАС
145,035 31 (10)> 9,1 × 10 −22  с
[<0,5 МэВ]		2n3
ЧАС
(1/2 +)
6
ЧАС
156,044 96 (27)2,90 (70) × 10 −22  с
[1,6 (4) МэВ ]		3n3
ЧАС
2− #
4n2
ЧАС
7
ЧАС
167.052 75 (108) #2.3 × 10 −23  с4n3
ЧАС
1/2 + #
  1. ^ () - Неопределенность (1 σ ) дана в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  2. ^ Режимы распада:
    n:Эмиссия нейтронов
  3. ^ Дочерний символ жирным шрифтом - Дочерний продукт стабилен.
  4. ^ () значение спина - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
  5. ^ # - Значения, отмеченные знаком #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN).
  6. ^ Если непроисходит распад протона .
  7. ^ Этот и 3 He - единственные стабильные нуклиды, у которых протонов больше, чем нейтронов.
  8. ^ Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва .
  9. ^ Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер
  10. ^ Бак с водородом имеет2
    ЧАС
     изобилие всего лишь 3,2 × 10 -5 (мольная доля).
  11. ^ Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва, но не первично, поскольку все такие атомы с тех пор распались до 3 He .
  12. ^ Космогенный

Водород-1 (протий) [ править ]

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона. Уникальный среди всех стабильных изотопов, он не имеет нейтронов. (см. дипротон для обсуждения того, почему другие не существуют)
Основная статья: атом водорода

1 H (атомная масса1.007 825 032 241 (94)  Да ) - наиболее распространенный изотоп водорода с содержанием более 99,98%. Поскольку ядро этого изотопа состоит только из одного протона , ему дали формальное название протий .

Распад протона никогда не наблюдался, поэтому водород-1 считается стабильным изотопом. Некоторые теории великого объединения, предложенные в 1970-х годах, предсказывают, что распад протона может происходить с периодом полураспада от 10 28 до 10 36 лет. [10] Если это предсказание окажется верным, то водород-1 (и действительно все ядра, которые сейчас считаются стабильными) стабильны только на основании наблюдений . На сегодняшний день эксперименты показали, что минимальный период полураспада протона превышает 10 34 лет.

Водород-2 (дейтерий) [ править ]

Основная статья: Дейтерий
Атом дейтерия содержит один протон, один нейтрон и один электрон.

2 H (атомная масса2,014 101 778 11 (12)  Да ), другой изотоп водорода стабильна, известна как дейтерийи содержит в своем ядре один протон и один нейтрон. Ядро дейтерия называется дейтроном. Дейтерий составляет 0,0026–0,0184% (по численности населения, а не по массе) образцов водорода на Земле, причем меньшее количество обычно встречается в образцах газообразного водорода, а более высокое обогащение (0,015% или 150 частей на миллион) типично для океанской воды. Дейтерий на Земле был обогащен в отношении его начальной концентрации в Большом взрыве и внешней части Солнечной системы (около 27 ppm в атомных долях) и его концентрации в более старых частях галактики Млечный Путь (около 23 ppm). Предположительно, разная концентрация дейтерия во внутренней части Солнечной системы связана с более низкой летучестью газа и соединений дейтерия, обогащающих фракции дейтерия в кометах и ​​планетах, подвергшихся значительному воздействию солнечного тепла на протяжении миллиардов лет эволюции Солнечной системы.

Дейтерий не радиоактивен и не представляет значительной опасности токсичности. Вода, обогащенная молекулами, в состав которых входит дейтерий вместо протия, называется тяжелой водой . Дейтерий и его соединения используются в качестве нерадиоактивной метки в химических экспериментах и ​​в растворителях для спектроскопии 1 H- ЯМР . Тяжелая вода используется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческого ядерного синтеза .

Водород-3 (тритий) [ править ]

Основная статья: Тритий
Атом трития содержит один протон, два нейтрона и один электрон.

3 H (атомная масса3.016 049 281 99 (23)  Да ) известен как тритий и содержит в своем ядре один протон и два нейтрона. Он радиоактивен, распадается на гелий-3 в результате β- распада с периодом полураспада 12,32 года. [11] Незначительные количества трития возникают в природе из-за взаимодействия космических лучей с атмосферными газами. Тритий также был выделен во время испытаний ядерного оружия . Он используется в оружии термоядерного синтеза, как индикатор в изотопной геохимии и специализируется на осветительных устройствах с автономным питанием .

Наиболее распространенный метод производства трития - бомбардировка естественного изотопа лития, лития-6 , нейтронами в ядерном реакторе .

Когда-то тритий обычно использовался в экспериментах по химической и биологической маркировке в качестве радиоактивной метки , которая в последнее время стала менее распространенной. DT- ядерный синтез использует тритий в качестве основного реагента наряду с дейтерием , высвобождая энергию за счет потери массы, когда два ядра сталкиваются и сливаются при высоких температурах.

Водород-4 [ править ]

4 H ( атомная масса равна4.026 43 (11)  Да ) содержит в своем ядре один протон и три нейтрона. Это очень нестабильный изотоп водорода. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися ядрами дейтерия . [12] В этом эксперименте ядро ​​трития захватило нейтрон из быстро движущегося ядра дейтерия. Присутствие водорода-4 было установлено путем регистрации испускаемых протонов. Он распадается через испускание нейтронов на водород-3 (тритий) с периодом полураспада около 139 ± 10 мксек (или(1,39 ± 0,10) × 10 -22 секунд). [13]

В сатирическом романе 1955 года «Мышь, которая ревела» название « quadium» было дано изотопу водорода-4, который приводил в действие Q-бомбу , захваченную герцогством Гранд Фенвик у Соединенных Штатов.

Водород-4.1 (мюонный гелий) [ править ]

Символ 4.1 H (Водород-4.1) использовался для описания экзотического атома мюонного гелия ( 4 He-μ), который похож на гелий-4, имея 2 протона и 2 нейтрона . [14] Однако один из его электронов заменен мюоном , который также имеет заряд -1. Поскольку орбиталь мюона находится очень близко к ядру атома , этот мюон можно рассматривать как часть ядра. Тогда у атома есть ядрос 2 протонами, 2 нейтронами и 1 мюоном, с общим зарядом ядра +1 (от 2 протонов и 1 мюона) и только одним электроном снаружи, так что это фактически изотоп водорода, а не изотоп гелия. Вес мюона составляет примерно 0,1 а.е.м., поэтому изотопная масса равна 4,1. Поскольку вне ядра находится только один электрон, атом водорода-4.1 может реагировать с другими атомами. Его химическое поведение такое же, как у атома водорода, а не у благородного атома гелия. [15] Единственная радиоактивная часть атома - мюон. Следовательно, атом распадается с периодом полураспада мюона 1,52 микросекунды (1,52 × 10 -6 секунд).

Водород-5 [ править ]

5 H - крайне нестабильный изотоп водорода. Ядро состоит из протона и четырех нейтронов. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися ядрами трития. [12] [16] В этом эксперименте одно ядро ​​трития захватывает два нейтрона от другого, становясь ядром с одним протоном и четырьмя нейтронами. Остающийся протон может быть обнаружен, и можно сделать вывод о существовании водорода-5. Он распадается в результате двойного испускания нейтронов на водород-3 (тритий) и имеет период полураспада не менее 910 мкс (9,1 × 10 -22 секунды). [13]

Водород-6 [ править ]

6 H распадается либо в результате трехкратного испускания нейтронов в водород-3 (тритий), либо в результате четырехкратного испускания нейтронов в водород-2 (дейтерий), и имеет период полураспада 290 мксек (2,9 × 10 -22 секунды). [13]

Водород-7 [ править ]

7 H состоит из протона и шести нейтронов . Он был впервые синтезирован в 2003 году группой русских, японских и французских ученых в RIKEN «s Радиоактивный изотоп Beam Factory бомбардировкой водорода с гелием 8 атомов. В результате реакции все шесть нейтронов гелия-8 были переданы ядру водорода. Два оставшихся протона были обнаружены телескопом RIKEN, устройством, состоящим из нескольких слоев датчиков, расположенным за целью циклотрона RI Beam. [3] Водород-7 имеет период полураспада 23 йоктосекунды (2,3 × 10 -23  с ), [17] что является самым коротким периодом полураспада, известным для любого изотопа любого элемента (см. Список радиоактивных нуклидов по периодам полураспада ).

Цепи разложения [ править ]

Большинство тяжелых изотопов водорода распадаются непосредственно до 3 H, который затем распадается на стабильный изотоп 3 He . Однако иногда наблюдали , что 6 H распадается непосредственно до стабильного 2 H.

Время распада для всех изотопов выражено в йокто-секундах, кроме 3 H, которое выражается в годах.

См. Также [ править ]

  • Биогеохимия изотопов водорода
  • Мюоний - действует как экзотический легкий изотоп водорода.
  • СМИ, связанные с изотопами водорода на Викискладе?

Ссылки [ править ]

  1. ^ Meija, Juris; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ Ю.Б. Гуров; и другие. (2004). «Спектроскопия сверхтяжелых изотопов водорода при поглощении остановившихся пионов ядрами». Физика атомных ядер . 68 (3): 491–497. Bibcode : 2005PAN .... 68..491G . DOI : 10.1134 / 1.1891200 . S2CID 122902571 . 
  3. ^ a b Коршенинников А.А.; и другие. (2003). «Экспериментальные доказательства существования 7 H и конкретной структуры 8 He». Письма с физическим обзором . 90 (8): 082501. Bibcode : 2003PhRvL..90h2501K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.082501 . PMID 12633420 . 
  4. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « дейтерий ». DOI : 10,1351 / goldbook.D01648
  5. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « тритий ». DOI : 10,1351 / goldbook.T06513
  6. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005 г.). Кембридж (Великобритания): RSC - IUPAC . ISBN 0-85404-438-8 . п. 48. Электронная версия. 
  7. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) " protium ". DOI : 10,1351 / goldbook.P04903
  8. ^ Период полураспада, мода распада, ядерный спин и изотопный состав взяты из: Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  9. ^ Ван, М .; Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Хуанг, WJ; Naimi, S .; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030003-1–030003-442. DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030003 .
  10. ^ "Великие объединенные теории и распад протона", Эд Кернс, Бостонский университет, 2009, стр. 15. http://physics.bu.edu/NEPPSR/TALKS-2009/Kearns_GUTs_ProtonDecay.pdf
  11. ^ Г. Л. Мисслер; Д.А. Тарр (2004). Неорганическая химия (3-е изд.). Пирсон Прентис Холл . ISBN 978-0-13-035471-6.
  12. ^ a b Г. М. Тер-Акопян; и другие. (2002). «Водород-4 и водород-5 из реакций передачи t + t и t + d изучены с помощью тритонного пучка с энергией 57,5 ​​МэВ». Материалы конференции AIP . 610 : 920–924. Bibcode : 2002AIPC..610..920T . DOI : 10.1063 / 1.1470062 .
  13. ^ a b c Audi, Жорж; Вапстра, Алдерт Хендрик; Тибо, Катрин; Blachot, Жан; Берсильон, Оливье (2003). «Оценка ядерных и распадных свойств NUBASE» (PDF) . Ядерная физика . 729 (1): 3–128. Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A . CiteSeerX 10.1.1.692.8504 . DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 . Архивировано из оригинального (PDF) 20 июля 2011 года.  
  14. ^ Флеминг, Д.Г. Арсено, ди-джей; Сухоруков, О .; Брюэр, JH; Mielke, SL; Schatz, GC; Гарретт, Британская Колумбия; Петерсон, KA; Truhlar, DG (28 января 2011 г.). «Кинетические изотопные эффекты для реакций мюонного гелия и мюония с H 2 » . Наука . 331 (6016): 448–450. DOI : 10.1126 / science.1199421 . PMID 21273484 . S2CID 206530683 .  
  15. ^ "Мюонный атом гелия" . Кафедра химии. Новости и события . Университет Британской Колумбии . Проверено 11 февраля 2021 года . Тогда химические взаимодействия 4 H и 4 He-μ практически идентичны.
  16. ^ А.А. Коршенинников; и другие. (2001). «Сверхтяжелый водород 5 H». Письма с физическим обзором . 87 (9): 92501. Bibcode : 2001PhRvL..87i2501K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.87.092501 . PMID 11531562 . 
  17. ^ «Изотопные данные для водорода-7 в Периодической таблице» . periodictable.com . Проверено 7 февраля 2020 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дюме, Б. (7 марта 2003 г.). «Водород-7 дебютирует» . Мир физики .