Изотопы водорода

Изотопы водорода ( 1 H  )
Основные изотопыРазлагаться
избытокпериод полураспада ( t 1/2 )режимпродукт
1 ч.99,9855%стабильный
2 ч.0,0145%стабильный
3 ч.след12.32 г.β −3 Он
Стандартный атомный вес A r °(H)

Водород ( 1 H) имеет три встречающихся в природе изотопа : 1 H, 2 H и 3 H. 1 H и 2 H стабильны, в то время как 3 H имеет период полураспада12,32(2) лет. [3] [nb 1] Существуют также более тяжелые изотопы; все они синтетические и имеют период полураспада менее 1 зептосекунды (10 −21  с). [4] [5] Из них 5 H является наименее стабильным, а 7 H — наиболее.

Водород — единственный элемент , изотопы которого имеют разные названия, которые остаются общепринятыми и сегодня: 2 H — дейтерий [6] , а 3 H — тритий . [7] Символы D и T иногда используются для обозначения дейтерия и трития; ИЮПАК ( Международный союз теоретической и прикладной химии ) принимает эти символы, но рекомендует стандартные изотопные символы 2 H и 3 H, чтобы избежать путаницы при алфавитной сортировке химических формул . [8] 1 H, без нейтронов , может называться протием для устранения неоднозначности. [9] (Во время раннего изучения радиоактивности некоторым другим тяжелым радиоизотопам были даны названия , но такие названия редко используются сегодня.)

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

Список изотопов

Примечание: «y» означает год, а «ys» означает йоктосекунду (10 −24 секунды).

Нуклид
ЗНИзотопная масса ( Да ) [10] [n 1]
Период полураспада [11]

Режим распада [11]
[n 2]		Дочерний
изотоп
[n 3]		Спин и
четность [11]
[n 4] [n 5]		Природная распространенность (мольная доля)Примечание
Нормальная пропорция [11]Диапазон вариаций
1 ч.101.007 825 031 898 (14)Стабильный [n 6] [n 7]1/2+[0,999 72 ,0,999 99 ] [12]Протий
2 H (D) [н 8] [н 9]112.014 101 777 844 (15)Стабильный1+[0.000 01 ,0,000 28 ] [12]Дейтерий
3 Н (Т) [н 10]123.016 049 281 320 (81)12.32(2) гβ −3 Он1/2+След [n 11]Тритий
4 ч.134.026 43 (11)139(10)  летн3 ч.2−
5 ч.145.035 31 (10)86(6) лет2н3 ч.(1/2+)
6 ч.156.044 96 (27)294(67) лет2−#
7 ч.167.052 750 (108) #652(558) лет1/2+#
Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы:
  1. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  2. ^ Способы распада:
    н:Нейтронное излучение
  3. ^ Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
  4. ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
  5. ^ # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
  6. ^ Если только не произойдет распад протона .
  7. ^ Этот изотоп и 3He являются единственными стабильными нуклидами, в которых протонов больше, чем нейтронов .
  8. ^ Произведено в процессе нуклеосинтеза Большого взрыва (BBN).
  9. ^ Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер
  10. ^ Произведено в BBN, но не первично, так как все распалось до 3 He . [13]
  11. ^ Тритий встречается в природе как космогенный нуклид .

Водород-1 (протий)

1 H состоит из 1 протона и 1 электрона: единственный стабильный нуклид без нейтронов (см. дипротон для обсуждения того, почему не существует других)

1 H (атомная масса1,007 825 031 898 (14)  Да ) является наиболее распространенным изотопом водорода с распространенностью >99,98%. Его ядро ​​состоит только из одного протона , поэтому он имеет официальное название протий .

Распад протона никогда не наблюдался, поэтому 1 H 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. [14] Если так, то 1 H (и все ядра, которые сейчас считаются стабильными) стабильны только с точки зрения наблюдений . По состоянию на 2018 год эксперименты показали, что среднее время жизни протона >3,6 × 10 29 лет. [15]

Водород-2 (дейтерий)

Дейтерий состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона.

Дейтерий , 2 H (атомная масса2,014 101 777 844 (15)  Да ), другой стабильный изотоп водорода, имеет один протон и один нейтрон в своем ядре, называемом дейтроном. 2 H содержит 26–184 частей на миллион (по численности населения, а не по массе) водорода на Земле; меньшее число, как правило, встречается в газообразном водороде, а более высокое обогащение (150 частей на миллион) типично для морской воды . Дейтерий на Земле был обогащен относительно его первоначальной концентрации во время Большого взрыва и внешней солнечной системы (≈27 частей на миллион, по атомной доле) и более старых частях Млечного Пути (≈23 частей на миллион). Предположительно, дифференциальная концентрация дейтерия во внутренней солнечной системе обусловлена ​​​​более низкой летучестью газообразного дейтерия и его соединений, обогащая фракции дейтерия в кометах и ​​планетах, подвергавшихся значительному воздействию тепла от Солнца в течение миллиардов лет эволюции солнечной системы .

Дейтерий не радиоактивен и не представляет значительной токсичной опасности. Вода, обогащенная 2 H, называется тяжелой водой . Дейтерий и его соединения используются в качестве нерадиоактивной метки в химических экспериментах и ​​в растворителях для спектроскопии ядерного магнитного резонанса 1 H. Тяжелая вода используется в качестве замедлителя нейтронов и охладителя для ядерных реакторов. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческого ядерного синтеза .

Водород-3 (тритий)

Тритий состоит из 1 протона, 2 нейтронов и 1 электрона.

Тритий , 3 H (атомная масса3,016 049 281 320 (81)  Да ), содержит один протон и два нейтрона в ядре (тритон). Он радиоактивен , β − распадается на гелий-3 с периодом полураспада 12,32(2) лет . [nb 1] [3] Следы 3 H встречаются в природе из-за взаимодействия космических лучей с атмосферными газами. 3 H также выделялся при ядерных испытаниях . Он используется в термоядерных бомбах , в качестве трассера в изотопной геохимии и в автономных осветительных приборах.

Наиболее распространенный способ получения 3H — бомбардировка природного изотопа лития 6Li нейтронами в ядерном реакторе .

Тритий может использоваться в экспериментах по химической и биологической маркировке в качестве радиоактивного индикатора . [16] [17] В синтезе дейтерия и трития в качестве основных реагентов используются 2 H и 3 H, что дает энергию за счет потери массы, когда два ядра сталкиваются и сливаются при высоких температурах.

Водород-4

4 H ( атомная масса 4.026 43 (11) ), с одним протоном и тремя нейтронами, является крайне нестабильным изотопом. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися дейтронами; [18] тритон захватил нейтрон из дейтрона. Присутствие 4 H было выведено путем обнаружения испускаемых протонов. Он распадается путем испускания нейтронов на 3 H с периодом полураспада139(10)  лет (или1,39 (10) × 10−22  с ).

В сатирическом романе 1955 года «Мышь, которая ревела » название «квадиум» было дано элементу 4H , питавшему Q-бомбу , которую герцогство Гранд-Фенвик захватило у Соединенных Штатов.

Водород-5

5 Н ( атомная масса 5.035 31 (10) ), с одним протоном и четырьмя нейтронами, крайне нестабилен. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися тритонами; [18] [19] один тритон захватывает два нейтрона у другого, становясь ядром с одним протоном и четырьмя нейтронами. Оставшийся протон может быть обнаружен, и существование 5 H может быть выведено. Он распадается путем двойной эмиссии нейтронов на 3 H и имеет период полураспада86(6)  лет (8,6 (6) × 10−23  с ) – самый короткий период полураспада среди всех известных нуклидов. [3]

Водород-6

6 H ( атомная масса 6.044 96 (27) ) имеет один протон и пять нейтронов . Он имеет период полураспада294(67)  лет (2,94 (67) × 10−22  с ).

Водород-7

7 H ( атомная масса 7,052 75 (108) ) имеет один протон и шесть нейтронов . Впервые он был синтезирован в 2003 году группой российских, японских и французских ученых на заводе по производству радиоактивных изотопов Riken путем бомбардировки водорода атомами гелия-8 ; все шесть нейтронов гелия-8 были переданы ядру водорода. Два оставшихся протона были обнаружены «телескопом RIKEN», устройством, состоящим из нескольких слоев датчиков, расположенных за мишенью циклотрона RI Beam. [5] 7 H имеет период полураспада 652(558)  лет (6,52 (558) × 10−22  с ). [3]

Цепи распада

4 H и 5 H распадаются непосредственно на 3 H, который затем распадается на стабильный 3 He . Распад самых тяжелых изотопов, 6 H и 7 H, экспериментально не наблюдался. [11]

ЧАС 1 3 → 12.32   у Он 2 3 + е − ЧАС 1 4 → 139   ys ЧАС 1 3 + н 0 1 ЧАС 1 5 → 86   ys ЧАС 1 3 + 2 0 1 н {\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}}}\\{}\end{массив}}}

Время затухания указано в йоктосекундах (10−24  с ) для всех этих изотопов, за исключением 3 H , который измеряется годами.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ab Обратите внимание, что NUBASE2020 использует тропический год для преобразования между годами и другими единицами времени, а не григорианский год . Соотношение между годами и другими единицами времени в NUBASE2020 следующее: 1 y = 365.2422 d = 31 556 926 s

Ссылки

  1. ^ «Стандартные атомные веса: Водород». CIAAW . 2009.
  2. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  3. ^ abcd Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (март 2021 г.). "Оценка ядерно-физических свойств NUBASE2020 \ast". Chinese Physics C . 45 (3): 030001. Bibcode :2021ChPhC..45c0001K. doi : 10.1088/1674-1137/abddae . ISSN  1674-1137. S2CID  233794940.
  4. ^ YB Gurov; et al. (2004). "Спектроскопия сверхтяжелых изотопов водорода в поглощении остановившихся пионов ядрами". Physics of Atomic Nuclei . 68 (3): 491–497. Bibcode :2005PAN....68..491G. doi :10.1134/1.1891200. S2CID  122902571.
  5. ^ ab AA Korsheninnikov; et al. (2003). "Экспериментальные доказательства существования 7 H и определенной структуры 8 He". Physical Review Letters . 90 (8): 082501. Bibcode :2003PhRvL..90h2501K. doi :10.1103/PhysRevLett.90.082501. PMID  12633420.
  6. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «дейтерий». doi :10.1351/goldbook.D01648
  7. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «тритий». doi :10.1351/goldbook.T06513
  8. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005). Кембридж (Великобритания): RSC – IUPAC . ISBN 0-85404-438-8 . стр. 48. Электронная версия. 
  9. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «протий». doi :10.1351/goldbook.P04903
  10. ^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  11. ^ abcde Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  12. ^ ab "Атомный вес водорода". CIAAW . Получено 24 июня 2021 г.
  13. ^ Кок, Ален (2009). «Нуклеосинтез большого взрыва: исследование ранней Вселенной». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел A. 611 ( 2–3): 224–230. Bibcode : 2009NIMPA.611..224C. doi : 10.1016/j.nima.2009.07.052.
  14. ^ Эд Кернс (2009). «Теории великого объединения и распад протона» (PDF) . Бостонский университет. стр. 15.
  15. ^ Сотрудничество SNO+; Андерсон, М.; Андринга, С.; Арушанова, Э.; Асахи, С.; Аскинс, М.; Аути, DJ; Бэк, AR; Барнард, З.; Баррос, Н.; Бартлетт, Д. (2019-02-20). "Поиск невидимых мод распада нуклонов в воде с помощью детектора SNO+". Physical Review D. 99 ( 3): 032008. arXiv : 1812.05552 . Bibcode : 2019PhRvD..99c2008A. doi : 10.1103/PhysRevD.99.032008 . S2CID  96457175.
  16. ^ Pfizer Japan. "SARS-CoV-2 mRNA Vaccine (BNT162, PF-07302048)" (PDF) . Агентство по фармацевтическим препаратам и медицинским приборам (Япония) . 2.6.5.5B, стр. 6–8. Архивировано из оригинала (PDF) 24 марта 2022 г. . Получено 5 июня 2021 г. [ 3 H ]-меченая LNP-мРНК
  17. ^ Грин, Джоан Балмер; Грин, Майкл Х. (2020). «Усвоение витамина А, определенное у крыс с использованием метода соотношения изотопов плазмы». Журнал питания . 150 (7): 1977–1981. doi :10.1093/jn/nxaa092. PMC 7330459. PMID  32271921 . 
  18. ^ ab GM Ter-Akopian; et al. (2002). "Водород-4 и водород-5 из реакций переноса t+t и t+d, изученных с помощью пучка тритонов с энергией 57,5 ​​МэВ". Труды конференции AIP . 610 : 920–924. Bibcode : 2002AIPC..610..920T. doi : 10.1063/1.1470062.
  19. ^ А. А. Коршенинников и др. (2001). "Сверхтяжелый водород 5 H". Physical Review Letters . 87 (9): 92501. Bibcode : 2001PhRvL..87i2501K. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.092501. PMID  11531562.

Дальнейшее чтение

  • Дюме, Б. (7 марта 2003 г.). «Водород-7 дебютирует» . Physics World .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Изотопы_водорода&oldid=1250268507#Водород-1_(протий)"