Изотопы водорода - Isotopes of hydrogen

Основные изотопы водород  (1ЧАС)
ИзотопРаспад
изобилиепериод полураспада (т1/2)Режимпродукт
1ЧАС99.99%стабильный
2ЧАС0.01%стабильный
3ЧАСслед12.32 годаβ−3Он
Стандартный атомный вес Аr, стандарт(ЧАС)
  • [1.00784, 1.00811][1]
  • Обычный: 1,008
Три самых стабильных изотопа водорода: протий (А = 1), дейтерий (А = 2), и тритий (А = 3).

Водород (1H) имеет три встречающихся в природе изотопы, иногда обозначается 1ЧАС, 2Рука 3H. Первые два из них стабильны, а 3H имеет период полураспада 12,32 года. Существуют также более тяжелые изотопы, которые полностью синтетические и имеют период полураспада менее одной зептосекунды (10−21 второй). Из этих, 5H - наиболее стабильный, а 7H - наименьшее.[2][3]

Водород - единственный элемент чьи изотопы имеют разные названия, широко используемые сегодня: 2Изотоп H (или водород-2) дейтерий[4] и 3Изотоп H (или водород-3) тритий.[5] Символы D и T иногда используются для обозначения дейтерия и трития. В ИЮПАК принимает символы D и T, но рекомендует вместо них использовать стандартные изотопные символы (2Рука 3H) чтобы избежать путаницы в алфавитной сортировке химические формулы.[6] Обычный изотоп водорода, без нейтроны, иногда называют протий.[7] (Во время ранних исследований радиоактивности были даны некоторые другие тяжелые радиоактивные изотопы. имена, но такие имена сегодня используются редко.)

Список изотопов

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

[ширина резонанса ]		Распад
Режим
[n 2]		Дочь
изотоп
[n 3]		Вращение и
паритет
[n 4][n 5]		Природное изобилие (мольная доля)Заметка
Нормальная пропорцияДиапазон вариации
1ЧАС101.00782503224(9)Стабильный[n 6][n 7]1/2+0.999885(70)0.999816–0.999974Protium
2ЧАС (D)[n 8][n 9]112.01410177811(12)Стабильный1+0.000115(70)[n 10]0.000026–0.000184Дейтерий
3ЧАС (Т)[n 11]123.01604928199(23)12.32 (2) гβ−3
Он
1/2+След[n 12]Тритий
4
ЧАС
134.02643(11)1.39(10)×10−22 s
[3.28(23) МэВ]		п3
ЧАС
2−
5
ЧАС
145.03531(10)> 9.1×10−22 s
[<0,5 МэВ]		2n3
ЧАС
(1/2+)
6
ЧАС
156.04496(27)2.90(70)×10−22 s
[1,6 (4) МэВ]		3n3
ЧАС
2−#
4n2
ЧАС
7
ЧАС
167.05275(108)#2.3×10−23 s4n3
ЧАС
1/2+#
  1. ^ () - Неопределенность (1σ) дается в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  2. ^ Режимы распада:
    n:Эмиссия нейтронов
  3. ^ Жирный символ как дочка - Дочерний продукт стабильный.
  4. ^ () значение вращения - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
  5. ^ # - Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN ).
  6. ^ Если только распад протона происходит.
  7. ^ Это и 3Он являются единственными стабильными нуклидами с большим количеством протонов, чем нейтронов.
  8. ^ Произведено во время Нуклеосинтез Большого взрыва.
  9. ^ Один из немногих стабильных нечетно-нечетные ядра
  10. ^ Резервуар с водородом имеет 2
    ЧАС
     изобилие всего лишь 3.2×10−5 (мольная доля).
  11. ^ Произведенные во время нуклеосинтеза Большого взрыва, но не в первозданном виде, поскольку все такие атомы с тех пор распались на 3Он.
  12. ^ Космогенный

Водород-1 (протий)

Protium, самый распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона. Уникальный среди всех стабильных изотопов, он не имеет нейтронов. (увидеть дипротон для обсуждения того, почему других не существует)
Дальнейшая информация: атом водорода

1ЧАС (атомная масса 1.007825032241(94) Да) является наиболее распространенным изотопом водорода с содержанием более 99,98%. Поскольку ядро этого изотопа состоит только из одного протон, ему дается официальное имя протий.

Распад протона никогда не наблюдался, поэтому водород-1 считается стабильным изотопом. Немного теории великого объединения предложенные в 1970-х годах предсказывают, что распад протона может происходить с периодом полураспада 1028 и 1036 лет.[10] Если это предсказание окажется верным, то водород-1 (и действительно все ядра, которые сейчас считаются стабильными) только наблюдательно стабильный. На сегодняшний день эксперименты показали, что минимальный период полураспада протона превышает 1034 лет.

Водород-2 (дейтерий)

Дальнейшая информация: дейтерий
Атом дейтерия содержит один протон, один нейтрон и один электрон.

2ЧАС (атомная масса 2.01410177811(12) 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% (по численности населения, а не по массе) образцов водорода на Земле, причем меньшее количество обычно обнаруживается 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, по атомной доле) 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 тяжелая вода. Дейтерий и его соединения используются в качестве нерадиоактивной метки в химических экспериментах и ​​в растворителях для 1ЧАС-ЯМР-спектроскопия. Тяжелая вода используется как замедлитель нейтронов и теплоноситель для ядерных реакторов. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческих термоядерная реакция.

Водород-3 (тритий)

Дальнейшая информация: тритий
Атом трития содержит один протон, два нейтрона и один электрон.

3ЧАС (атомная масса 3.01604928199(23) Да) известен как тритий и содержит в своем ядре один протон и два нейтрона. Он радиоактивен, распадается на гелий-3 через β− распад с период 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 испытания ядерного оружия. Он используется в оружии термоядерного синтеза, как индикатор в изотопная геохимия, и специализируется на автономное освещение устройств.

Наиболее распространенный метод производства трития - бомбардировка естественным изотопом лития, литий-6, с нейтронами в ядерного реактора.

Когда-то тритий обычно использовался в экспериментах по химической и биологической маркировке в качестве радиоактивная метка, который стал менее распространенным в последнее время. D-T термоядерная реакция использует тритий в качестве основного реагента, наряду с дейтерий, высвобождая энергию за счет потери массы, когда два ядра сталкиваются и сливаются при высоких температурах.

Водород-4

4ЧАС (атомная масса является 4.02643(11) Да) содержит в своем ядре один протон и три нейтрона. Это очень неустойчивый изотоп водорода. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки тритий с быстро движущимся дейтерий ядра.[12] В этом эксперименте ядро ​​трития захватило нейтрон из быстро движущегося ядра дейтерия. Присутствие водорода-4 было установлено путем регистрации испускаемых протонов. Он разлагается нейтронное излучение в водород-3 (тритий) с период полураспада около 139 ± 10 йоктосекунды (или (1.39±0.10)×10−22 секунд).[13]

В сатирическом романе 1955 г. Ревущая мышь, название квадиум был передан изотопу водорода-4, который питал Q-бомба что Герцогство Гранд Фенвик захвачен из США.

Водород-4.1

Водород-4.1 подобен гелий-4 имея 2 протоны и 2 нейтроны. Однако одна из его электроны заменяется на мюон. Поскольку орбиталь мюона очень близка к атомное ядро, этот мюон можно рассматривать как часть ядра. Атом в целом можно описать так: атомное ядро образован 1 мюоном, 2 протонами и 2 нейтронами, с одним электроном снаружи ", поэтому его можно рассматривать как один изотоп водорода, а экзотический атом тоже. Вес мюона составляет 0,1u, поэтому имя атома - Водород-4,1 (4.1ЧАС). Атом водорода-4.1 может реагировать с другими атомами. Он ведет себя как атом водорода, а не благородный атом гелия.[14]

Водород-5

5ЧАС является крайне нестабильным изотопом водорода. Ядро состоит из протона и четырех нейтронов. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися ядрами трития.[12][15] В этом эксперименте одно ядро ​​трития захватывает два нейтрона от другого, становясь ядром с одним протоном и четырьмя нейтронами. Оставшийся протон может быть обнаружен, и можно сделать вывод о существовании водорода-5. Он разлагается вдвое нейтронное излучение в водород-3 (тритий) и имеет период полураспада не менее 910 йоктосекунд (9,1 × 10−22 секунд).[13]

Водород-6

6ЧАС распадается либо на тройной нейтронное излучение в водород-3 (тритий) или учетверенное излучение нейтронов в водород-2 (дейтерий) и имеет период полураспада 290 йоктосекунд (2,9 × 10−22 секунд).[13]

Водород-7

7ЧАС состоит из протон и шесть нейтроны. Впервые он был синтезирован в 2003 году группой российских, японских и французских ученых в г. RIKEN с Завод радиоактивных изотопов бомбардировкой водород с участием гелий-8 атомы. 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 s),[16] который является самым коротким периодом полураспада, известным для любого изотопа любого элемента (см. Список радиоактивных нуклидов по периодам полураспада )

Цепи распада

Большинство тяжелых изотопов водорода распадаются непосредственно на 3H, который затем распадается на стабильный изотоп 3Он. Однако, 6Иногда наблюдалось, что H распадается прямо на стабильную 2ЧАС.

Время распада в йоктосекунды для всех изотопов, кроме 3H, который выражается в годах.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 88 (3): 265–91. Дои:10.1515 / pac-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:2005ПАН .... 68..491Г. Дои:10.1134/1.1891200. S2CID  122902571.
  3. ^ а б Коршенинников А.А.; и другие. (2003). "Экспериментальные доказательства существования 7H и для конкретной структуры 8Он". Письма с физическими проверками. 90 (8): 082501. Bibcode:2003ПхРвЛ..90х2501К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.082501. PMID  12633420.
  4. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "дейтерий ". Дои:10.1351 / goldbook.D01648
  5. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "тритий ". Дои:10.1351 / goldbook.T06513
  6. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005 г.). Кембридж (Великобритания): RSC –ИЮПАК. ISBN  0-85404-438-8. п. 48. Электронная версия.
  7. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "протий ". Дои:10.1351 / goldbook.P04903
  8. ^ Период полураспада, мода распада, ядерный спин и изотопный состав происходят из:
    Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФК..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  9. ^ Wang, M .; Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Huang, W. J .; Naimi, S .; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030003-1–030003-442. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  10. ^ «Теории Великого Объединения и распад протона», Эд Кернс, Бостонский университет, 2009 г., 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. ^ а б 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. Дои:10.1063/1.1470062.
  13. ^ а б c Ауди, Жорж; Вапстра, Алдерт Хендрик; Тибо, Катрин; Blachot, Жан; Берсильон, Оливье (2003). «Оценка ядерных и распадных свойств NUBASE» (PDF). Ядерная физика A. 729 (1): 3–128. Bibcode:2003НуФА.729 .... 3А. CiteSeerX  10.1.1.692.8504. Дои:10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-20.
  14. ^ Fleming, D.G .; Arseneau, D. J .; Сухоруков, О .; Brewer, J. H .; Mielke, S.L .; Schatz, G.C .; Garrett, B.C .; Петерсон, К. А .; Трухлар, Д. Г. (28 января 2011 г.). «Кинетические изотопные эффекты для реакций мюонного гелия и мюония с H2». Наука. 331 (6016): 448–450. Дои:10.1126 / science.1199421. PMID  21273484. S2CID  206530683.
  15. ^ Коршенинников А.А.; и другие. (2001). «Сверхтяжелый водород 5ЧАС". Письма с физическими проверками. 87 (9): 92501. Bibcode:2001ПхРвЛ..87и2501К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.87.092501. PMID  11531562.
  16. ^ «Изотопные данные водорода-7 в Периодической таблице». periodictable.com. Получено 2020-02-07.

дальнейшее чтение