Изотопы водорода
| ||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес А р °(Н) | ||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||
Водород ( 1 H) имеет три встречающихся в природе изотопа , иногда обозначаемых 1
ЧАС
, 2
ЧАС
, и 3
ЧАС
. 1
ЧАС
и 2
ЧАС
стабильны, в то время как 3
ЧАС
имеет период 12,32 полураспада (2) года. [3] [номер 1] Существуют также более тяжелые изотопы, все они синтетические и имеют период полураспада менее одной зептосекунды (10 −21 с). [4] [5] Из них 5
ЧАС
является наименее стабильным, в то время как 7
ЧАС
это самое большое.
Водород — единственный элемент , изотопы которого имеют разные названия, которые до сих пор широко используются: 2
ЧАС
Изотоп (или водорода-2) - дейтерий [6] и 3
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
и 3
ЧАС
) вместо этого во избежание путаницы при сортировке химических формул по алфавиту . [8] Изотоп 1
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.)
Список изотопов
[ редактировать ]Обратите внимание, что «y» означает «год», а «ys» означает « йоктосекунду » (10 −24 второй).
Нуклид | С | Н | Изотопная масса ( Да ) [10] [n 1] | Период полураспада [11] | Разлагаться режим [11] [n 2] | Дочь изотоп [n 3] | Спин и паритет [11] [n 4] [n 5] | Природное изобилие (молярная доля) | Примечание | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Нормальная пропорция [11] | Диапазон вариаций | ||||||||||||||||||
1 ЧАС | 1 | 0 | 1.007 825 031 898 (14) | Стабильный [№ 6] [№ 7] | 1/2+ | [ 0.999 72 , 0.999 99 ] [12] | Протий | ||||||||||||
2 Ч (Д) [n 8] [n 9] | 1 | 1 | 2.014 101 777 844 (15) | Стабильный | 1+ | [ 0.000 01 , 0.000 28 ] [12] | Дейтерий | ||||||||||||
3 Ч (Т) [№ 10] | 1 | 2 | 3.016 049 281 320 (81) | 12.32(2) и | б − | 3 Он | 1/2+ | След [№ 11] | Тритий | ||||||||||
4 ЧАС | 1 | 3 | 4.026 43 (11) | 139(10) лет | н | 3 ЧАС | 2− | ||||||||||||
5 ЧАС | 1 | 4 | 5.035 31 (10) | 86(6) лет | 2н | 3 ЧАС | (1/2+) | ||||||||||||
6 ЧАС | 1 | 5 | 6.044 96 (27) | 294(67) лет | н? [№ 12] | 5 ЧАС ? | 2−# | ||||||||||||
3н? [№ 12] | 3 ЧАС ? | ||||||||||||||||||
7 ЧАС | 1 | 6 | 7.052 750 (108) # | 652(558) лет | 2н? [№ 12] | 5 ЧАС ? | 1/2+# | ||||||||||||
Этот заголовок и нижний колонтитул таблицы: |
- ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
- ^ Режимы распада:
н: Нейтронная эмиссия - ^ Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
- ^ ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
- ^ # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
- ^ Если не произойдет распад протона .
- ^ Это и 3
Он
являются единственными стабильными нуклидами, в которых протонов больше, чем нейтронов. - ^ Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва .
- ^ Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер.
- ^ Произведено во время нуклеосинтеза Большого взрыва, но не изначально, поскольку все такие атомы с тех пор распались до 3
Он
. [13] - ^ Тритий встречается в природе как космогенный нуклид .
- ^ Jump up to: а б с Показанный режим распада энергетически разрешен, но экспериментально не наблюдался в этом нуклиде.
Водород-1 (протий)
[ редактировать ]1
ЧАС
(атомная масса 1,007 825 031 898 (14) Да ) — наиболее распространенный изотоп водорода, с содержанием более 99,98%. Поскольку ядро этого изотопа состоит только из одного протона , ему дано официальное 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 и 10 36 годы. [14] 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 [update]эксперименты показали, что минимальное среднее время жизни протона превышает 3,6 × 10 29 годы. [15]
Водород-2 (дейтерий)
[ редактировать ]2
ЧАС
(атомная масса 2,014 101 777 844 (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% (от 26 до 184 частей на миллион; по населению, 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)
[ редактировать ]3
ЧАС
(атомная масса 3,016 049 281 320 (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 12,32 полураспада (2) года . [номер 1] [3] Следовые количества трития возникают 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 . [16] [17] 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
[ редактировать ]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. [18] 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 139 полураспада (10) лет (или 1,39(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
[ редактировать ]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. [18] [19] 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 за счет двойной эмиссии нейтронов на водород-3 (тритий) и имеет период 86 полураспада (6) лет ( 8,6(6) × 10 −23 с ) – самый короткий период полураспада любого известного нуклида. [3]
Водород-6
[ редактировать ]6
ЧАС
( атомная масса 6,04496 ( 27) ) состоит из протона и пяти нейтронов . Период полураспада составляет 294(67) лет ( 2,94(67) × 10 −22 с ).
Водород-7
[ редактировать ]7
ЧАС
( атомная масса 7,05275 ) (108) состоит из протона и шести нейтронов . Впервые он был синтезирован в 2003 году группой российских, японских и французских ученых на RIKEN заводе радиоактивных изотопов 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] Водород-7 имеет период полураспада 652(558) лет ( 6,52(558) × 10 −22 с ). [3]
Цепи распада
[ редактировать ]4
ЧАС
и 5
ЧАС
распадаться непосредственно на 3
ЧАС
, который затем распадается на стабильный изотоп 3
Он
. Распад самых тяжелых изотопов, 6
ЧАС
и 7
ЧАС
, экспериментально не наблюдалось. [11]
Время затухания указано в йоктосекундах ( 10 −24 s ) для всех этих изотопов, кроме 3
ЧАС
, что выражается в годах.
См. также
[ редактировать ]- Биогеохимия изотопов водорода
- Водород-4.1 (мюонный гелий)
- Мюоний - действует как экзотический легкий изотоп водорода.
- СМИ, связанные с изотопами водорода, на Викискладе?
Примечания
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б 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.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Стандартные атомные массы: водород» . ЦИАВ . 2009.
- ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . дои : 10.1515/pac-2019-0603 . ISSN 1365-3075 .
- ^ Jump up to: а б с д 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 : 2021ChPhC..45c0001K . дои : 10.1088/1674-1137/abddae . ISSN 1674-1137 . S2CID 233794940 .
- ^ Ю.Б. Гуров; и др. (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 .
- ^ Jump up to: а б А.А. Коршенинников; и др. (2003). «Экспериментальные доказательства существования 7 H и для конкретной структуры 8 He». Physical Review Letters . 90 (8): 082501. Bibcode : 2003PhRvL..90h2501K . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.082501 . PMID 12633420 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Дейтерий ». дои : 10.1351/goldbook.D01648
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « тритий ». два : 10.1351/goldbook.T06513
- ^ 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.
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Протий ». doi : 10.1351/goldbook.P04903
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б с д и 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 .
- ^ Jump up to: а б «Атомный вес водорода» . ЦИАВ . Проверено 24 июня 2021 г.
- ^ Кок, Ален (2009). «Нуклеосинтез Большого взрыва: исследование ранней Вселенной». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 611 (2–3): 224–230. Бибкод : 2009NIMPA.611..224C . дои : 10.1016/j.nima.2009.07.052 .
- ^ Эд Кернс (2009). «Теории Великого объединения и распад протона» (PDF) . Бостонский университет. п. 15.
- ^ 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 .
- ^ Пфайзер 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
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б Г.М. Тер-Акопян; и др. (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 .
- ^ 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
[ редактировать ]- Дюме, Б. (7 марта 2003 г.). «Водород-7 дебютирует» . Мир физики .