Ізотопи водню
Ізотопи водню | |
![]() | |
![]() |
![](http://chped.net/https/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/66/Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-en.svg/360px-Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-en.svg.png)
Водень (Н) (Відносна атомна маса: 1.00794) має три ізотопи природного походження, які іноді позначають як 1H, 2H та 3H. Перші два з них є стабільними, а 3H має період напіврозпаду 12,32 року. Всі важчі ізотопи є синтетичними і мають період напіврозпаду менш як одну зептосекунду (10-21 секунди). З них 5H найбільш стабільний, а 7H найменш.[1][2]
Водень - єдиний елемент, чиї ізотопи мають різні імена, які перебувають у загальному вжитку сьогодні. Ізотоп 2H (або водень-2) зазвичай називають дейтерієм, тоді як ізотоп 3H (або водень-3) зазвичай називають тритієм. Символи D і Т (замість 2H і 3H) інколи використовують для дейтерію і тритію. IUPAC у Червоній книзі 2005 стверджує, що в той час як використання символів D і T є загальнопоширеним, воно не є найкращим, тому що може викликати проблеми з алфавітним сортуванням хімічних формул. Звичайний ізотоп водню, без нейтронів, іноді називають "протієм". (На початку дослідження радіоактивності, деяким іншим тяжчим радіоактивним ізотопам водню дали імена, але такі імена рідко використовують сьогодні.)
![](http://chped.net/https/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/Hydrogen.svg/220px-Hydrogen.svg.png)
1H (атомна маса 1.00782504(7) u)- найпоширеніший ізотоп водню, частка якого становить 99.98%. Оскільки ядро цього ізотопу складається лише з одного протона, то йому дали описову, але рідко формально вживану, назву протій.
Науковці ніколи не реєстрували розпаду протону, тому водень-1 вважають стабільним ізотопом. Деякі теорії великого об'єднання, запропоновані в 1970-х роках, прогнозують, що розпад протона може відбуватися з періодом напіврозпаду між 1031 і 1036 років. Якщо цей прогноз виявиться правильним, то водень-1 (і взагалі всі ядра, які нині вважають стабільними), виявляться лише експериментально стабільними. На сьогодні, втім, експерименти показали, що період напіврозпаду протона принаймні перевищує 1034 років.
![](http://chped.net/https/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/H-2_atom.png/250px-H-2_atom.png)
2H (атомна маса 2.013553212724(78) u), інший стабільний ізотоп водню, називається дейтерій і містить один протон і один нейтрон у ядрі атома. Ядро дейтерію називається дейтроном. Частка дейтерію становить 0.0026 – 0.0184% (за чисельною кількістю, а не за масою) від усієї кількості водню на Землі, причому нижню межу визначають у пробах газоподібного водню, а вище збагачення (0.015% або 150 частинок на мільйон) типове для океанської води. Водень на Землі багатший на дейтерій в порівнянні з його вихідною концентрацією в результаті Великого вибуху і в зовнішній Сонячній системі (близько 27 частинок на мільйон) і його концентрацією в старих частинах галактики Чумацький Шлях (близько 23 часток на мільйон). Імовірно, збільшену концентрацію дейтерію у внутрішній Сонячній системі можна пояснити нижчою волатильністю газоподібного дейтерію і з'єднань дейтерію відносно протію, що призвело до збагачення частки дейтерію на кометах і планетах, які отримували значну частину тепла від Сонця упродовж мільярдів років еволюції Сонячної системи.
Дейтерій не є радіоактивним і не становить значну небезпеку токсичності. Вода, молекули якої містять дейтерій замість протію, називається важкою водою. Дейтерій та його сполуки використовують як нерадіоактивні мітки в хімічних експериментах і в розчинниках для 1Н-ЯМР-спектроскопії. Важка вода використовується як сповільнювач нейтронів і теплоносій у ядерних реакторах. Дейтерій також є потенційним паливом для комерційного ядерного синтезу.
![](http://chped.net/https/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4f/H-3_atom.png/250px-H-3_atom.png)
3H (атомна маса 3.0160492 u) відомий як тритій і містить один протон і два нейтрони в ядрі атома. Він радіоактивний і розпадається на гелії-3 в результаті β− розпаду. Період напіврозпаду становить 12.32 року.[3] Невелика кількість тритію утворюється природним шляхом внаслідок взаємодії космічних променів з атмосферними газами. Тритій також виникав під час випробувань ядерної зброї. Він використовується в термоядерній зброї, як індикатор в ізотопній геохімії[en], і є спеціалізованим елементом у приладах на тритієвій підсвітці.
Найпоширеніший спосіб видобутку тритію полягає в бомбардуванні природного ізотопу літію, літію-6, нейтронами в ядерному реакторі.
Раніше тритій постійно застосовували в хімічних і біологічних експериментах як ізотопну мітку[en], але цей метод останнім часом вийшов з широкого вжитку. Дейтерій-тритієва реакція ядерного синтезу використовує тритій як основний реагент, поряд з дейтерієм, вивільняючи енергію за рахунок втрати маси, коли їхні ядра зіштовхуються і зливаються за високих температур.
4H містить один протон і три нейтрони у своєму ядрі. Це дуже нестабільний ізотоп водню. Його синтезували в лабораторії, бомбардуючи тритій швидкими ядрами дейтерію.[4] У цьому експерименті, ядро тритію захоплювало нейтрон від швидкого ядра дейтерію. Присутність водню-4 визначили, виявивши випускання надлишкових протонів. Його атомна маса становить 4.02643 ± 0.00011.[5] Він руйнується випускаючи нейтрон на водень-3 (тритій) і має період напіврозпаду близько 139 йоктосекунд ((1.39 ± 0.10) × 10-22 секунд).[6]
У сатиричному романі Миша, яка загарчала[en], назву quadium дістав ізотоп водню-4, що дає енергію Q-бомбі, яку князівство Гранд Фенвік[en] захопило у США.
5H - це вкрай нестабільний ізотоп водню. Ядро складається з протону і чотирьох нейтронів. Його синтезовано в лабораторії в результаті бомбардування тритію тритієвими ядрами.[4][7] В тому експерименті одне ядро тритію захоплювало два нейтрони з іншого, перетворюючись на ядро з одним протоном і чотирма нейтронами. Утворення водню-5 виводили з наявності залишкових протонів. Він руйнується внаслідок подвійного випускання нейтронів на водень-3 (тритій) і має період напіврозпаду не менш як 910 йоктосекунд (9.1 × 10-22 секунд).[6]
6H розпадається або через потрійне випускання нейтронів на водень-3 (тритій) або після випускання чотирьох нейтронів на водень-2 (дейтерій) і має період напіврозпаду 290 йоктосекунд (2.9×10-22 секунд).[6]
7H складається з протону і шести нейтронів. Його вперше синтезувала 2003 року група російських, японських і французьких вчених у RI Beam Science Laboratory центру RIKEN , бомбардуючи водень атомами гелію-8. В результаті реакції, всі шість нейтронів гелію-8 перейшли в ядро водню. Два залишкових протони були виявлені "телескопом РІКЕН", приладом, що складається з декількох шарів датчиків, розташованих позаду мішені RI Beam циклотрону.[2] Водень-7 має період напіврозпаду 23 йоктосекунди (2.3×10-23 с.).
Символ ізотопу |
Z(p) | N(n) | Маса ізотопу (u) |
Період напіврозпаду | Типи розпаду[8][n 1] |
Дочірні ізотопи[n 2] | Спін і парність ядра[n 3] |
Поширеність ізотопу в природі (мольна частка) |
Діапазон розподілу в природі (мольна частка) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1H | 1 | 0 | 1.00782503207(10) | Стабільний[n 4][n 5] | 1⁄2+ | 0.999885(70) | 0.999816–0.999974 | ||
2H[n 6] | 1 | 1 | 2.0141017778(4) | Стабільний | 1+ | 0.000115(70)[n 7] | 0.000026–0.000184 | ||
3H[n 8] | 1 | 2 | 3.0160492777(25) | 12.32(2) років | β− | 3He | 1⁄2+ | Сліди[n 9] | |
4H | 1 | 3 | 4.02781(11) | 1.39(10)×10−22 с [4.6(9) МеВ] |
n | 3H | 2− | ||
5H | 1 | 4 | 5.03531(11) | >9.1×10−22 с ? | 2n | 3H | (1⁄2+) | ||
6H | 1 | 5 | 6.04494(28) | 2.90(70)×10−22 с [1.6(4) МеВ] |
3n | 3H | 2−# | ||
4n | 2H | ||||||||
7H | 1 | 6 | 7.05275(108)# | 2.3(6)×10−23 с# | 4n | 3H | 1⁄2+# |
- ↑ Скорочення:
ЕЗ: електронне захоплення - ↑ Жирним для стабільних ізотопів
- ↑ Спіни зі слабким оцінковим обґрунтуванням взяті в дужки.
- ↑ Більший, ніж 6.6×1033 років. Див. розпад протона.
- ↑ Він і 3He є єдиними стабільними нуклідами, у яких протонів більше, ніж нейтронів
- ↑ Утворився під час нуклеосинтезу Великого вибуху
- ↑ Tank hydrogen має частку 2H 3.2×10−5 (мольної частки).
- ↑ утворився під час нуклеосинтезу Великого вибуху, але не є первинним, оскільки всі ті атоми відтоді розпались до 3He
- ↑ Космогенний
- Комерційно доступні матеріали можуть підлягати прихованому або випадковому розділенню на ізотопи. Можуть траплятись суттєві відхилення від поданої маси і складу.
- Оцінки позначені # отримані не з чисто експериментальних даних, але частково із систематичних трендів у сусідніх нкулідів (з такими самими відношеннями Z і N). Спіни зі слабким оцінковим обґрунтуванням взяті в дужки.
- похибку вимірювання подано в скороченій формі в дужках після відповідних останніх цифр. Похибка позначає одне стандартне відхилення, за винятком ізотопної поширеності та атомної маси від IUPAC, яка використовує складніші визначення похибок. Приклади: 29770,6(5) означає 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означає 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означає −2200,2 ± 1,8.
- Маси радіонуклідів подані за даними Комісії з символів, одиниць, номенклатури, атомних мас і фундаментальних констант (SUNAMCO) IUPAP
- Поширеності ізотопів подані за даними Комісії з ізотопних поширеностей і атомних мас IUPAC
Більшість важких ізотопів водню розпадаються прямо на 3H, який потім розпадається до стабільного ізотопу 3Не. Проте, іноді спостерігали і безпосередній розпад 6H на стабільний 2H.
зверніть увагу, що часи розпадів вказані в йоктосекундах для всіх ізотопів, крім 3H, для якого цей показник виражений у роках.
- ↑ Y. B. Gurov та ін. (2004). Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei. Physics of Atomic Nuclei. 68 (3): 491—497. Bibcode:2005PAN....68..491G. doi:10.1134/1.1891200.
- ↑ а б A. A. Korsheninnikov та ін. (2003). Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He. Physical Review Letters. 90 (8): 082501. Bibcode:2003PhRvL..90h2501K. doi:10.1103/PhysRevLett.90.082501.
- ↑ G. L. Miessler; D. A. Tarr (2004). Inorganic Chemistry (вид. 3rd). Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-035471-6.
- ↑ а б G. M. Ter-Akopian та ін. (2002). Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam. AIP Conference Proceedings. 610: 920. doi:10.1063/1.1470062.
- ↑ M. Wang; G. Audi; A. H. Wapstra; F. G. Kondev; M. MacCormick; X. Xu; B. Pfeiffer (2012). The Ame2012 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (PDF). Chinese Physics C. 36 (12): 7. doi:10.1088/1674-1137/36/12/003. Архів оригіналу (PDF) за 14 лютого 2017. Процитовано 25 грудня 2016.
- ↑ а б в G. Audi; A. H. Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 20 липня 2011. Процитовано 25 грудня 2016.
- ↑ A. A. Korsheninnikov та ін. (2001). Superheavy Hydrogen 5H. Physical Review Letters. 87 (9): 92501. Bibcode:2001PhRvL..87i2501K. doi:10.1103/PhysRevLett.87.092501.
- ↑ Universal Nuclide Chart. nucleonica. Архів оригіналу за 19 лютого 2017. Процитовано 11 січня 2017.
- General references
- Маси ізотопів взяті з:
- G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2008. Процитовано 25 грудня 2016.
- Кількісні співвідношення ізотопів і стандартні атомні маси взяті з:
- J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman and P. D. P. Taylor (2003). Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 75 (6): 683—800. doi:10.1351/pac200375060683. Архів оригіналу за 1 липня 2018. Процитовано 25 грудня 2016.
- M. E. Wieser (2006). Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 78 (11): 2051—2066. doi:10.1351/pac200678112051. Архів оригіналу за 4 січня 2019. Процитовано 25 грудня 2016. Загальний огляд.
- Період напіврозпаду, спін, і дані ізомерів взяті з: See editing notes on this article's talk page.
- G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A[en]. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2008. Процитовано 25 грудня 2016.
- National Nuclear Data Center[en]. NuDat 2.1 database. Brookhaven National Laboratory. Архів оригіналу за 13 травня 2019. Процитовано September 2005.
- N. E. Holden (2004). Table of the Ізотопи. У D. R. Lide (ред.). CRC Handbook of Chemistry and Physics[en] (вид. 85th). CRC Press. Section 11. ISBN 978-0-8493-0485-9.
- B. Dumé (7 березня 2003). Hydrogen-7 makes its debut. Physics World[en]. Архів оригіналу за 7 листопада 2017. Процитовано 25 грудня 2016.
H | He | ||||||||||||||||||||||
Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||
Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||
K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||
Cs | Ba | * | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | ||||||
Fr | Ra | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | ||||||
* | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | ||||||||
** | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr |