Изотопы водорода

Водород с разным числом нейтронов

Водород ( ₁ H) имеет три встречающихся в природе изотопа , иногда обозначаемых¹
ЧАС
,²
ЧАС
, и³
ЧАС
.¹
ЧАС
и²
ЧАС
стабильны, в то время как³
ЧАС
имеет период полураспада12,32(2) года. ^{[3] [nb 1]} Существуют также более тяжелые изотопы, все из которых являются синтетическими и имеют период полураспада менее одной зептосекунды (10 ^-21  с). ^{[4] [5]} Из них:⁵
ЧАС
является наименее стабильным, в то время как⁷
ЧАС
наиболее.

Водород — единственный элемент , изотопы которого имеют разные названия, которые до сих пор широко используются:²
ЧАС
(или водорода-2) — дейтерий ^[6] , а³
ЧАС
Изотопом водорода (или водорода-3) является тритий . ^[7] Символы D и T иногда используются для обозначения дейтерия и трития. ИЮПАК принимает символы D и T, но рекомендует использовать стандартные изотопные символы (²
ЧАС
и³
ЧАС
) вместо этого во избежание путаницы при сортировке химических формул по алфавиту . ^[8] Изотоп¹
ЧАС
, без нейтронов , для устранения неоднозначности можно назвать протием . ^[9] (Во время ранних исследований радиоактивности некоторым другим тяжелым радиоактивным изотопам были даны названия , но сегодня такие названия используются редко.)

Три наиболее стабильных изотопа водорода: протий ( А  = 1), дейтерий ( А  = 2) и тритий ( А  = 3).

Список изотопов

Обратите внимание, что «y» означает «год», а «ys» означает « йоктосекунду » (10–24 ^{секунды} ).

1. ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
2. Способы распада:
3. Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
4. ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
5. # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
6. Если не произойдет распад протона .
7. Это и³
   Он
   являются единственными стабильными нуклидами, в которых протонов больше, чем нейтронов.
8. Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва .
9. Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер.
10. Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва, но не изначально, поскольку все такие атомы с тех пор распались до³
    Он
    .
11. Тритий встречается в природе как космогенный нуклид .
12. Показанный режим распада энергетически разрешен, но экспериментально не наблюдался в этом нуклиде.

Водород-1 (протий)

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона. Уникальный среди всех стабильных изотопов, он не имеет нейтронов. (см. дипротон , где обсуждается, почему других не существует)

¹
ЧАС
(атомная масса1,007 825 031 898 (14)  Да ) — наиболее распространенный изотоп водорода, с содержанием более 99,98%. Поскольку ядро ​​этого изотопа состоит только из одного протона , ему дано 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 между10 ²⁸ и10 ³⁶ лет. ^[13] Если это предсказание окажется верным, то водород-1 (да и вообще все ядра, которые сейчас считаются стабильными) стабильны только с точки зрения наблюдений . По состоянию на 2018 год ^{[обновлять]}эксперименты показали, что минимальное среднее время жизни протона превышает3,6 × 10 ²⁹ лет. ^[14]

Водород-2 (дейтерий)

Атом дейтерия содержит один протон, один нейтрон и один электрон.

²
ЧАС
(атомная масса2,014 101 777 844 (15)  Да ), другой стабильный изотоп водорода, известен как дейтерий и содержит в своем ядре один протон и один нейтрон. Ядро дейтерия называется дейтроном. Дейтерий составляет 0,0026–0,0184% (26 частей на миллион или 184 частей на миллион; по численности населения, а не по массе) образцов водорода на Земле, при этом меньшее количество обычно обнаруживается в образцах газообразного водорода и более высоком обогащении (0,015% или 150 частей на миллион). типичный для океанской воды . Дейтерий на Земле был обогащен по сравнению с его первоначальной концентрацией во время Большого взрыва и во внешней Солнечной системе (около 27 частей на миллион по атомной доле) и его концентрацией в старых частях галактики Млечный Путь (около 0,0023%, или 23 частей на миллион). . Предположительно, дифференциальная концентрация дейтерия во внутренней части Солнечной системы обусловлена ​​более низкой летучестью газообразного дейтерия и его соединений, обогащающих фракции дейтерия в кометах и ​​планетах, подвергшихся значительному теплу от Солнца в течение миллиардов лет эволюции Солнечной системы .

Дейтерий не радиоактивен и не представляет значительной токсичной опасности. 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.¹
ЧАС
- спектроскопия ядерного магнитного резонанса . Тяжелая вода используется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя ядерных реакторов. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческого ядерного синтеза .

Водород-3 (тритий)

Атом трития содержит один протон, два нейтрона и один электрон.

³
ЧАС
(атомная масса3,016 049 281 320 (81)  Да ) известен как тритий и содержит в своем ядре один протон и два нейтрона. Он радиоактивный, распадается на гелий-3 посредством β- распада с периодом полураспада12,32(2) года . ^{[nb 1] [3]} Следовые количества трития встречаются в природе в результате взаимодействия космических лучей с атмосферными газами. Тритий также выделялся во время испытаний ядерного оружия . Он используется в оружии термоядерного синтеза , в качестве индикатора в изотопной геохимии и специализируется на осветительных устройствах с автономным питанием .

Самый распространенный метод производства трития — бомбардировка природного изотопа лития, лития-6 , нейтронами в ядерном реакторе .

Тритий можно использовать в экспериментах по химическому и биологическому мечению в качестве радиоактивного индикатора . ^{[15] [16]} В ядерном синтезе DT в качестве основного реагента используется тритий, а также дейтерий , высвобождающий энергию за счет потери массы, когда два ядра сталкиваются и сливаются при высоких температурах.

Водород-4

⁴
ЧАС
( атомная масса 4,026 43 (11) ) содержит в своем ядре один протон и три нейтрона. Это крайне нестабильный изотоп водорода. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстродвижущимися ядрами дейтерия . ^[17] В этом эксперименте ядро ​​трития захватило нейтрон из быстро движущегося ядра дейтерия. Присутствие водорода-4 было установлено путем обнаружения испускаемых протонов. Он распадается за счет нейтронного излучения на водород-3 (тритий) с периодом полураспада139(10)  лет (или1,39(10) × 10-22 ^с  ) .

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

Водород-5

⁵
ЧАС
( атомная масса 5,035 31 (10) ) — крайне нестабильный изотоп водорода. Ядро состоит из протона и четырех нейтронов. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстродвижущимися ядрами трития. ^{[17] [18]} В этом эксперименте одно ядро ​​трития захватывает два нейтрона у другого, становясь ядром с одним протоном и четырьмя нейтронами. Оставшийся протон может быть обнаружен и сделан вывод о существовании водорода-5. Он распадается в результате двойного испускания нейтронов на водород-3 (тритий) и имеет период полураспада86(6)  лет (8,6(6) × 10-23 ^с ) – самый  короткий период полураспада среди всех известных нуклидов. ^[3]

Водород-6

⁶
ЧАС
( атомная масса 6.044 96 (27) ) состоит из протона и пяти нейтронов . Он распадается либо за счет тройного испускания нейтронов на водород-3 (тритий), либо за счет четырехкратного испускания нейтронов на водород-2 (дейтерий), и имеет период полураспада294(67)  лет (2,94(67) × 10-22 ^с  ) .

Водород-7

⁷
ЧАС
( атомная масса 7,052 75 (108) ) состоит из протона и шести нейтронов . Впервые он был синтезирован в 2003 году группой российских, японских и французских ученых на заводе радиоактивных изотопов RIKEN путем бомбардировки водорода атомами гелия-8 . 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 мишенью циклотрона RI Beam. ^[5] Период полураспада водорода-7 составляет652(558)  лет (6,52(558) × 10-22 ^с  ) . ^[3]

Цепи распада

Большинство тяжелых изотопов водорода распадаются непосредственно до³
ЧАС
, который затем распадается на стабильный изотоп3Он. Однако,⁶
ЧАС
иногда наблюдалось распад непосредственно до стабильного²
ЧАС
.

${\displaystyle {\begin{array}{rcl}\\{\ce {^{3}_{1}H}}&{\ce {->[12.32\ {\ce {y}}]}}&{\ce {{^{3}_{2}He}+e^{-}}}\\{\ce {^{4}_{1}H}}&{\ce {->[139\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{5}_{1}H}}&{\ce {->[86\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{2_{0}^{1}n}}}\\{\ce {^{6}_{1}H}}&{\ce {->[294\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{3_{0}^{1}n}}}\\{\ce {^{6}_{1}H}}&{\ce {->[294\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{2}_{1}H}+{4_{0}^{1}n}}}\\{\ce {^{7}_{1}H}}&{\ce {->[652\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{4_{0}^{1}n}}}\\{}\end{array}}}$

Время затухания указано в йоктосекундах (10 ⁻²⁴  с ) для всех этих изотопов, кроме³
ЧАС
, что выражается в годах.

Смотрите также

• Биогеохимия изотопов водорода
• Водород-4.1 (мюонный гелий)
• Мюоний - действует как экзотический легкий изотоп водорода.
• СМИ, связанные с изотопами водорода, на Викискладе?

Примечания

1. Обратите внимание, что NUBASE2020 использует тропический год для преобразования лет в другие единицы времени, а не григорианский год . Соотношение лет и других единиц времени в NUBASE2020 следующее: 1 г = 365,2422 д = 31 556 926 с.

Рекомендации

1. «Стандартные атомные массы: водород». ЦИАВ . 2009.
2. Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; и другие. (04.05.2022). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
3. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (март 2021 г.). «Оценка ядерно-физических свойств NUBASE2020 \ast». Китайская физика C . 45 (3): 030001. Бибкод : 2021ЧФК..45с0001К. дои : 10.1088/1674-1137/abddae . ISSN  1674-1137. S2CID  233794940.
4. Ю.Б. Гуров; и другие. (2004). «Спектроскопия сверхтяжелых изотопов водорода при поглощении остановленных пионов ядрами». Физика атомных ядер . 68 (3): 491–497. Бибкод : 2005PAN....68..491G. дои : 10.1134/1.1891200. S2CID  122902571.
5. А. А. Коршенинников; и другие. (2003). «Экспериментальные доказательства существования ⁷ H и особой структуры ⁸ He». Письма о физических отзывах . 90 (8): 082501. Бибкод : 2003PhRvL..90х2501К. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.082501. ПМИД  12633420.
6. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «дейтерий». дои :10.1351/goldbook.D01648
7. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «тритий». дои :10.1351/goldbook.T06513
8. Международный союз теоретической и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005 г.). Кембридж (Великобритания): RSC – IUPAC . ISBN 0-85404-438-8 . п. 48. Электронная версия. 
9. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «Протий». дои :10.1351/goldbook.P04903
10. Ван, Мэн; Хуанг, WJ; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки *». Китайская физика C . 45 (3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
11. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
12. «Атомный вес водорода». ЦИАВ . Проверено 24 июня 2021 г.
13. Эд Кернс (2009). «Теории Великого объединения и распад протона» (PDF) . Бостонский университет. п. 15.
14. Сотрудничество SNO +; Андерсон, М.; Андринга, С.; Арушанова Е.; Асахи, С.; Аскинс, М.; Оти, диджей; Назад, АР; Барнард, З.; Баррос, Н.; Бартлетт, Д. (20 февраля 2019 г.). «Поиск невидимых мод распада нуклонов в воде с помощью детектора СНО+». Физический обзор D . 99 (3): 032008. arXiv : 1812.05552 . Бибкод : 2019PhRvD..99c2008A. doi : 10.1103/PhysRevD.99.032008 . S2CID  96457175.
15. Pfizer Япония. «Вакцина мРНК SARS-CoV-2 (BNT162, PF-07302048)» (PDF) . Агентство фармацевтических препаратов и медицинского оборудования (Япония) . 2.6.5.5Б, стр. 6–8. Архивировано из оригинала (PDF) 24 марта 2022 года . Проверено 5 июня 2021 г. [ ³ H]-меченная LNP-мРНК
16. Грин, Джоан Балмер; Грин, Майкл Х. (2020). «Поглощение витамина А, определенное у крыс с использованием метода соотношения изотопов в плазме». Журнал питания . 150 (7): 1977–1981. дои : 10.1093/jn/nxaa092. ПМК 7330459 . ПМИД  32271921. 
17. Г.М. Тер-Акопян; и другие. (2002). «Водород-4 и Водород-5 из реакций переноса t+t и t+d, изученных с помощью тритонного пучка с энергией 57,5 ​​МэВ». Материалы конференции AIP . 610 : 920–924. Бибкод : 2002AIPC..610..920T. дои : 10.1063/1.1470062.
18. А. А. Коршенинников; и другие. (2001). «Сверхтяжелый водород ⁵ Н». Письма о физических отзывах . 87 (9): 92501. Бибкод : 2001PhRvL..87i2501K. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.092501. ПМИД  11531562.

дальнейшее чтение

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