Дейтерий

Дейтерий, водород-2, ² ЧАС, ² ЧАС

Дейтерий светится в газоразрядной трубке
Общий
Символ	2 ЧАС
Имена	Дейтерий, водород-2, 2 Н, 2Н, Н-2, водород-2, Д, 2 ЧАС
Протоны ( С )	1
Нейтроны ( Н )	1
Данные о нуклидах
Природное изобилие	0,0156% (Земля)
Период полураспада ( т 1/2 )	стабильный
масса изотопа	2.01410177811 И
Вращаться	1 +
Избыточная энергия	13 135 , 720 ± 0,001 кэВ
Энергия связи	2 224,52 ​ ± 0,20 кэВ
Изотопы водорода Полная таблица нуклидов

Дейтерий ( водород-2 , обозначение ² H или D , также известный как тяжелый водород — один из двух стабильных изотопов водорода ) ; другой — протий или водород-1, ¹ дейтерия H. Ядро , называемое дейтроном , содержит один протон и один нейтрон , тогда как гораздо более распространенное ядро ​​содержит один протон и один нейтрон. ¹ H не имеет нейтронов. Дейтерий имеет естественное содержание Земли в океанах : примерно один атом дейтерия на каждые 6420 атомов водорода. Таким образом, дейтерий составляет около 0,0156% по количеству (0,0312% по массе) от всего водорода в океане: 4,85 × 10 ¹³ тонн дейтерия – в основном в виде HOD (или ¹ К ² Ч или ¹ ЧАС ² HO) и лишь изредка в виде D ₂ O (или ² H ₂ O) – в 1,4 × 10 ¹⁸ тонн воды. Обилие ² H незначительно меняется от одного вида природной воды к другому (см. Венский стандарт средней океанской воды ).

Название дейтерий происходит от греческого deuteros , что означает «второй». Американский химик Гарольд Юри открыл дейтерий в 1931 году. Юри и другие получили образцы тяжелой воды , в которой ² H был очень сконцентрирован. Открытие дейтерия принесло Юри Нобелевскую премию в 1934 году.

Дейтерий разрушается в недрах звезд быстрее, чем образуется. Считается, что другие природные процессы производят лишь незначительное количество дейтерия. Почти весь дейтерий, обнаруженный в природе, был произведен в результате Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад, что является основным или первичным соотношением ² Ч до ¹ H (≈26 атомов дейтерия на 10 ⁶ атомы водорода) берет свое начало с этого времени. Такое соотношение наблюдается у газовых планет-гигантов, таких как Юпитер. Анализ дейтерий-протиевых отношений ( ² ЧАС ¹ HR) в кометах обнаружил результаты, очень похожие на среднее соотношение в земных океанах (156 атомов дейтерия на 10 ⁶ атомы водорода). Это подтверждает теории о том, что большая часть океанской воды Земли имеет кометное происхождение. ² ЧАС ¹ HR кометы 67P/Чурюмова-Герасименко , измеренный космическим зондом Rosetta , примерно в три раза превышает HR воды на Земле. Эта цифра является самой высокой из когда-либо измеренных среди комет. ² ЧАС ¹ Таким образом, HR продолжают оставаться активной темой исследований как в астрономии, так и в климатологии.

Отличия от обычного водорода (протия)

Водород (вверху) и дейтерий (внизу) светятся в газоразрядных трубках.

Химический символ

Дейтерий часто обозначается химическим символом D. Поскольку это изотоп водорода с массовым числом 2, его также обозначают знаком ² H. ИЮПАК допускает как D, так и ² Х, однако ² Н является предпочтительным. Для удобства используется отдельный химический символ, поскольку изотоп широко используется в различных научных процессах. Кроме того, его большая разница в массе с протием ( ¹ H) обеспечивает существенные химические различия с ¹ Н-соединения. Дейтерий имеет массу 2,014 102   Да , что примерно вдвое превышает среднюю 1,007 атомную массу водорода 947 Да или вдвое больше массы протия 1,007 825 Да . Массовые соотношения изотопов в составе других химических элементов в этом отношении в значительной степени незначительны.

Спектроскопия

В квантовой механике энергетические уровни электронов в атомах зависят от приведенной массы системы электрона и ядра. Для атома водорода роль приведенной массы проще всего увидеть в Бора модели атома , где приведенная масса появляется в результате простого расчета константы Ридберга и уравнения Ридберга, но приведенная масса появляется и в уравнении Шредингера , и уравнение Дирака для расчета уровней атомной энергии.

Приведенная масса системы в этих уравнениях близка к массе одиночного электрона, но отличается от нее на небольшую величину, примерно равную отношению массы электрона к ядру. Для обычного водорода это количество составляет около ⁠ 1837/1836 , , или 1,000545 ⁠ а для дейтерия оно ещё меньше: ⁠ 3671/3670 . 1,0002725 ⁠ или Энергии линий электронного спектра для ² Рука ¹ Таким образом, H отличаются соотношением этих двух чисел, которое равно 1,000272. Длины волн всех спектроскопических линий дейтерия короче соответствующих линий легкого водорода на 0,0272%. В астрономических наблюдениях это соответствует синему доплеровскому сдвигу, составляющему 0,0272% скорости света , или 81,6 км/с.

Различия гораздо более выражены в колебательной спектроскопии, такой как инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния света . и в вращательных спектрах, таких как микроволновая спектроскопия, поскольку приведенная масса дейтерия заметно выше, чем у протия. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерий имеет совсем другую частоту ЯМР (например, 61 МГц, когда протий находится на частоте 400 МГц) и гораздо менее чувствителен. Дейтерированные растворители обычно используются в ЯМР протия, чтобы предотвратить перекрытие растворителя с сигналом, хотя ЯМР дейтерия сам по себе также возможен.

Нуклеосинтез Большого Взрыва

Основная статья: Нуклеосинтез Большого взрыва

Считается, что дейтерий сыграл важную роль в определении количества и соотношений элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва . Объединив термодинамику и изменения, вызванные космическим расширением, можно рассчитать долю протонов и нейтронов, основываясь на температуре в тот момент, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы позволить образование ядер . Этот расчет указывает на семь протонов на каждый нейтрон в начале нуклеогенеза , соотношение, которое останется стабильным даже после завершения нуклеогенеза. Первоначально эта фракция была в пользу протонов, прежде всего потому, что меньшая масса протона благоприятствовала их образованию. По мере расширения Вселенной она охлаждалась. Свободные нейтроны и протоны менее стабильны, чем ядра гелия , а у протонов и нейтронов была веская энергетическая причина для образования гелия-4 . Однако для образования гелия-4 требуется промежуточный этап образования дейтерия.

В течение большей части нескольких минут после Большого взрыва, во время которого мог произойти нуклеосинтез, температура была достаточно высокой, так что средняя энергия на частицу превышала энергию связи слабосвязанного дейтерия; поэтому любой образовавшийся дейтерий немедленно уничтожался. Эта ситуация известна как « узкое место дейтерия» . Узкое место задерживало образование гелия-4 до тех пор, пока Вселенная не стала достаточно холодной для образования дейтерия (при температуре, эквивалентной 100 кэВ ). В этот момент произошел внезапный всплеск образования элементов (сначала дейтерия, который сразу же превратился в гелий). Однако вскоре после этого, через двадцать минут после Большого взрыва, Вселенная стала слишком холодной для дальнейшего ядерного синтеза и нуклеосинтеза. К этому моменту содержание элементов было почти фиксированным, с единственным изменением, поскольку некоторые радиоактивные продукты нуклеосинтеза Большого взрыва (например, тритий ) распадались. Узкое место дейтерия в образовании гелия, а также отсутствие стабильных способов соединения гелия с водородом или с самим собой (ни одно стабильное ядро ​​не имеет массового числа 5 или 8) означало, что незначительное количество углерода или любых более тяжелых элементов чем углерод, образовавшийся в результате Большого взрыва. Таким образом, эти элементы требовали формирования в звездах. В то же время неудача в значительной части нуклеогенеза во время Большого взрыва гарантировала, что в более поздней Вселенной будет много водорода, доступного для формирования долгоживущих звезд, таких как Солнце.

Избыток

Упрощенная диаграмма содержания частиц

Дейтерий встречается в следовых количествах в природе в виде газообразного дейтерия ( ² H ₂ или D ₂ ), но большинство атомов дейтерия во Вселенной связаны с ¹ H с образованием газа, называемого дейтеридом водорода (HD или ¹ ЧАС ² ЧАС). Точно так же природная вода содержит дейтерированные молекулы, почти все в виде полутяжелой воды HDO с одним дейтерием.

Существование дейтерия на Земле, в других частях Солнечной системы (что подтверждено планетарными зондами) и в спектрах звезд также является важным фактом в космологии . Гамма-излучение обычного ядерного синтеза диссоциирует дейтерий на протоны и нейтроны, и нет никаких известных естественных процессов, кроме нуклеосинтеза Большого взрыва , которые могли бы произвести дейтерий в концентрации, близкой к его наблюдаемому естественному содержанию. Дейтерий образуется в результате редкого распада кластеров и случайного поглощения естественных нейтронов легким водородом, но это тривиальные источники. Считается, что внутри Солнца и других звезд мало дейтерия, поскольку при этих температурах реакции ядерного синтеза , потребляющие дейтерий, происходят намного быстрее, чем протон-протонная реакция , в результате которой образуется дейтерий. Однако дейтерий сохраняется во внешней солнечной атмосфере примерно в той же концентрации, что и на Юпитере, и, вероятно, она не менялась с момента возникновения Солнечной системы. Естественное изобилие ² H кажется очень похожей фракцией водорода, где бы он ни находился, если только не действуют очевидные процессы, которые его концентрируют.

Существование дейтерия в низкой, но постоянной первичной доле во всем водороде является еще одним из аргументов в пользу теории Большого взрыва над теорией стационарного состояния Вселенной. Наблюдаемые соотношения водорода, гелия и дейтерия во Вселенной трудно объяснить, кроме как с помощью модели Большого взрыва. Подсчитано, что содержание дейтерия существенно не изменилось с момента его производства около 13,8 миллиардов лет назад. Измерения галактического дейтерия Млечного Пути с помощью ультрафиолетового спектрального анализа показывают соотношение целых 23 атома дейтерия на миллион атомов водорода в невозмущенных газовых облаках, что всего на 15% ниже предполагаемого изначального соотношения WMAP , составляющего около 27 атомов на миллион из Большого Хлопнуть. Это было интерпретировано как означающее, что при звездообразовании в галактике Млечный Путь было уничтожено меньше дейтерия, чем ожидалось, или, возможно, дейтерий был пополнен за счет большого притока первичного водорода из-за пределов галактики. В космосе в нескольких сотнях световых лет от Солнца содержание дейтерия составляет всего 15 атомов на миллион, но на это значение, по-видимому, влияет дифференциальная адсорбция дейтерия на частицах углеродной пыли в межзвездном пространстве.

Содержание дейтерия в атмосфере Юпитера было непосредственно измерено «Галилео» космическим зондом и составило 26 атомов на миллион атомов водорода. Наблюдения ISO-SWS обнаружили на Юпитере 22 атома на миллион атомов водорода. и считается, что это изобилие близко к соотношению изначальной Солнечной системы. Это примерно 17% от земного соотношения 156 атомов дейтерия на миллион атомов водорода.

Было измерено, что кометные тела, такие как комета Хейла-Боппа и комета Галлея, содержат больше дейтерия (около 200 атомов на миллион атомов водорода), соотношения, которые обогащены по сравнению с предполагаемым соотношением протосолнечной туманности, вероятно, из-за нагрева, и которые аналогичны соотношения, обнаруженные в морской воде Земли. Недавнее измерение количества дейтерия в 161 атоме на миллион водорода в комете 103P/Хартли (бывший объект пояса Койпера ), соотношение почти такое же, как и в земных океанах (155,76 ± 0,1, но на самом деле от 153 до 156 частей на миллион), подчеркивает теория о том, что поверхностные воды Земли могут быть в значительной степени кометными. Совсем недавно дейтерий-протиевый ( ² ЧАС- ¹ H) соотношение 67P/Чурюмов-Герасименко , измеренное Rosetta, примерно в три раза больше, чем у земной воды, и это очень высокий показатель. Это вызвало новый интерес к предположениям о том, что вода на Земле может частично иметь астероидное происхождение.

Также было замечено, что концентрация дейтерия превышает среднюю солнечную концентрацию на других планетах земной группы, в частности на Марсе и Венере.

Производство

Основная статья: Тяжелая вода § Производство

Дейтерий производят для промышленных, научных и военных целей, начиная с обычной воды, небольшая часть которой представляет собой тяжелую воду природного происхождения , а затем отделяя тяжелую воду с помощью сульфидного процесса Гирдлера , дистилляции или других методов.

Теоретически дейтерий для получения тяжелой воды можно было бы получить в ядерном реакторе, но отделение от обычной воды — самый дешевый процесс массового производства.

Ведущим мировым поставщиком дейтерия была компания Atomic Energy of Canada Limited до 1997 года, когда был остановлен последний завод по производству тяжелой воды. Канада использует тяжелую воду в качестве замедлителя нейтронов для работы конструкции реактора CANDU .

Другим крупным производителем тяжелой воды является Индия. Все индийские атомные электростанции, кроме одной, являются станциями с тяжелой водой под давлением, в которых используется природный (т.е. необогащенный) уран. В Индии имеется восемь заводов по производству тяжелой воды, семь из которых находятся в эксплуатации. Шесть установок, пять из которых находятся в эксплуатации, основаны на обмене D–H в газообразном аммиаке. Два других завода извлекают дейтерий из природной воды в процессе, в котором используется сероводород под высоким давлением.

Хотя Индия обеспечивает себя тяжелой водой для собственных нужд, Индия также экспортирует тяжелую воду реакторного качества.

Характеристики

Данные для молекулярного дейтерия

Формула: Д ₂ или ²
₁ час
₂

• Плотность: 0,180 кг/м ³ при СТП (0 °С, 101325 Па).
• Атомный вес: 2,0141017926 Да.
• Среднее содержание в океанской воде (по данным ВСМОВ ) 155,76 ± 0,1 атома дейтерия на миллион атомов всех изотопов водорода (около 1 атома из 6420); то есть около 0,015% всех атомов водорода (любого изотопа)

Данные примерно при 18 К для ² H ₂ ( тройная точка ):

• Плотность:
  • Жидкость: 162,4 кг/м ³
  • Газ: 0,452 кг/м ³
• Вязкость: 12,6 мкПа·с при 300 К (газовая фаза)
• Удельная теплоемкость при постоянном давлении c _p :
  • Твердый: 2950 Дж/(кг·К)
  • Газ: 5200 Дж/(кг·К)

Физические свойства

По сравнению с водородом в его естественном составе на Земле чистый дейтерий ( ² H ₂ ) имеет более высокую температуру плавления (18,72 К против 13,99 К), более высокую температуру кипения (23,64 против 20,27 К), более высокую критическую температуру (38,3 против 32,94 К) и более высокое критическое давление (1,6496 против 1,2858). МПа).

Физические свойства соединений дейтерия могут проявлять значительные кинетические изотопные эффекты и другие отличия физических и химических свойств от аналогов протия. ² H ₂ O, например, более вязкая , чем обычная. Н ₂ О. ​ Существуют различия в энергии и длине связи соединений тяжелых изотопов водорода по сравнению с протием, которые больше, чем изотопные различия в любом другом элементе. Связи с участием дейтерия и трития несколько прочнее соответствующих связей в протии, и этих различий достаточно, чтобы вызвать существенные изменения биологических реакций. Фармацевтические фирмы заинтересованы в том, чтобы ² H труднее удалить из углерода, чем ¹ ЧАС.

Дейтерий может заменить ¹ H в молекулах воды с образованием тяжелой воды ( ² H ₂ O), которая примерно на 10,6% плотнее обычной воды (так что изготовленный из нее лед тонет в обычной воде). Тяжелая вода слегка токсична для эукариотических животных: 25%-ное замещение воды в организме вызывает проблемы деления клеток и бесплодие, а 50%-ное замещение вызывает смерть от цитотоксического синдрома (недостаточность костного мозга и недостаточность слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта). Однако прокариотические организмы могут выживать и расти в чистой тяжелой воде, хотя и развиваются медленно. Несмотря на эту токсичность, потребление тяжелой воды в обычных условиях не представляет угрозы для здоровья человека. Подсчитано, что человек весом 70 кг (154 фунта) может выпить 4,8 литра (1,3 галлона США) тяжелой воды без серьезных последствий. Небольшие дозы тяжелой воды (несколько граммов у людей, содержащие количество дейтерия, сравнимое с тем, которое обычно присутствует в организме) обычно используются в качестве безвредных метаболических индикаторов у людей и животных.

Квантовые свойства

Дейтрон имеет спин +1 (« триплетное состояние ») и, следовательно, является бозоном . Частота ЯМР дейтерия существенно отличается от частоты обычного водорода. Инфракрасная спектроскопия также легко различает многие дейтерированные соединения из-за большой разницы в частоте ИК-поглощения, наблюдаемой в вибрации химической связи, содержащей дейтерий, и легкого водорода. Два стабильных изотопа водорода также можно различить с помощью масс-спектрометрии .

Триплетный нуклон дейтрона почти не связан при E _B = 2,23 МэВ , и ни одно из состояний с более высокой энергией не связано. Синглетный дейтрон представляет собой виртуальное состояние с отрицательной энергией связи ~60 кэВ . Такой стабильной частицы не существует, но эта виртуальная частица временно существует во время неупругого нейтрон-протонного рассеяния, что объясняет необычно большое сечение нейтронного рассеяния протона.

Ядерные свойства (дейтрон)

Масса и радиус дейтрона

Ядро дейтерия называется дейтроном . Он имеет массу 2,013 553 212 544 (15) Да (чуть более 1,875 ГэВ/ c ² ).

Зарядовый радиус дейтрона составляет 2,127 78 (27) × 10 ⁻¹⁵ м . ‍

Как и радиус протона , измерения с использованием мюонного дейтерия дают меньший результат: 2,125 62 (78) Фм .

См. Также: Загадка о радиусе протона.

Вращение и энергия

Дейтерий — один из пяти стабильных нуклидов с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов. ( ² ЧАС, ⁶ Что , ¹⁰ Б , ¹⁴ Н , ^{180 м} Та ; долгоживущие радионуклиды ⁴⁰ К , ⁵⁰ V , ¹³⁸ , ​ ¹⁷⁶ Lu также встречается в природе.) Большинство нечетно-нечетных ядер неустойчивы к бета-распаду , потому что продукты распада четно-четные и, следовательно, более прочно связанные из-за эффектов спаривания ядер . Однако дейтерий выигрывает от того, что его протон и нейтрон связаны с состоянием со спином 1, что обеспечивает более сильное ядерное притяжение; соответствующее состояние со спином 1 не существует в двухнейтронной или двухпротонной системе из-за принципа исключения Паули , который требует, чтобы одна или другая идентичная частица с тем же спином имела какое-то другое другое квантовое число, например орбитальное угловой момент . Но орбитальный угловой момент любой частицы дает более низкую энергию связи для системы, в первую очередь из-за увеличения расстояния между частицами в крутом градиенте ядерной силы. В обоих случаях это приводит дипротона и динейтрона к нестабильности .

Протон и нейтрон в дейтерии могут диссоциировать посредством взаимодействия нейтрального тока с нейтрино . Сечение этого взаимодействия сравнительно велико, и дейтерий успешно использовался в качестве мишени для нейтрино в эксперименте Нейтринной обсерватории Садбери .

Двухатомный дейтерий (D ₂ или ² H ₂ ) имеет орто- и параядерные спиновые изомеры , подобно двухатомному водороду, но с различиями в количестве и населенности спиновых состояний и вращательных уровней , которые возникают потому, что дейтрон представляет собой бозон с ядерным спином, равным единице.

Изоспиновое синглетное состояние дейтрона

Из-за сходства массы и ядерных свойств протона и нейтрона их иногда рассматривают как два симметричных типа одного и того же объекта — нуклона . Хотя электрический заряд имеет только протон, его часто можно пренебречь из-за слабости электромагнитного взаимодействия по сравнению с сильным ядерным взаимодействием . Симметрия, связывающая протон и нейтрон, известна как изоспин и обозначается I (или иногда T ).

Изоспин представляет собой симметрию SU(2) , как и обычный спин , поэтому полностью аналогичен ему. Протон и нейтрон, каждый из которых имеет изоспин -1/2 , образуют дублет изоспина (аналог спинового дублета ), причем состояние «вниз» (↓) является нейтроном, а состояние «вверх» (↑) – протон. Пара нуклонов может находиться либо в антисимметричном состоянии изоспина, называемом синглетным , либо в симметричном состоянии, называемом триплетным . Что касается состояния «нижнее» и «верхнее», синглет

${\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|{\uparrow \downarrow }\rangle -|{\downarrow \uparrow }\rangle {\Big )}.$, что также можно записать: ${\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|pn\rangle -|np\rangle {\Big )}.$

Это ядро ​​с одним протоном и одним нейтроном, то есть ядро ​​дейтерия. Тройка - это

$\left({\begin{array}{ll}|{\uparrow \uparrow }\rangle \\{\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\uparrow \downarrow }\rangle +|{\downarrow \uparrow }\rangle )\\|{\downarrow \downarrow }\rangle \end{array}}\right)$

и, таким образом, состоит из трех типов ядер, которые считаются симметричными: ядро ​​дейтерия (фактически его высоковозбужденное состояние ), ядро ​​с двумя протонами и ядро ​​с двумя нейтронами. Эти состояния не стабильны.

Приближенная волновая функция дейтрона

Волновая функция дейтрона должна быть антисимметричной, если используется представление изоспина (поскольку протон и нейтрон не являются идентичными частицами, волновая функция вообще не обязательно должна быть антисимметричной). Помимо изоспина, два нуклона также имеют спин и пространственное распределение своей волновой функции. Последний является симметричным, если дейтрон симметричен по четности (т.е. имеет «четную» или «положительную» четность), и антисимметричным, если дейтрон антисимметричен по четности (т.е. имеет «нечетную» или «отрицательную» четность). Четность полностью определяется суммарным орбитальным угловым моментом двух нуклонов: если он четный, то четность четная (положительная), а если нечетная, то четность нечетная (отрицательная).

Дейтрон, будучи синглетом изоспина, антисимметричен при обмене нуклонами за счет изоспина и, следовательно, должен быть симметричен при двойном обмене их спином и расположением. Следовательно, он может находиться в одном из следующих двух разных состояний:

• Симметричный спин и симметричный относительно четности. В этом случае обмен двумя нуклонами умножит волновую функцию дейтерия на (-1) из-за изоспинового обмена, (+1) из-за спинового обмена и (+1) из-за четности (обмена местоположением), в общей сложности (-1 ), как необходимо для антисимметрии.
• Антисимметричный спин и антисимметричный по четности. В этом случае обмен двумя нуклонами умножит волновую функцию дейтерия на (-1) из изоспинового обмена, (-1) из спинового обмена и (-1) из четности (обмена местоположением), снова в общей сложности (- 1) как необходимо для антисимметрии.

В первом случае дейтрон представляет собой тройку спинов, так что его полный спин s равен 1. Он также имеет четную четность и, следовательно, четный орбитальный угловой момент l ; Чем ниже его орбитальный угловой момент, тем ниже его энергия. Следовательно, наименьшее возможное энергетическое состояние имеет s = 1 , l = 0 .

Во втором случае дейтрон является синглетным спином, так что его полный спин s равен 0. Он также имеет нечетную четность и, следовательно, нечетный орбитальный угловой момент l . Следовательно, наименьшее возможное энергетическое состояние имеет s = 0 , l = 1 .

Поскольку s = 1 дейтерия дает более сильное ядерное притяжение, основное состояние находится в состоянии s = 1 , l = 0 .

Те же соображения приводят к возможным состояниям тройки изоспина, имеющим s = 0 , l = четный или s = 1 , l = нечетный . Таким образом, состояние с наименьшей энергией имеет s = 1 , l = 1 , что выше, чем у синглета изоспина.

Только что приведенный анализ на самом деле является лишь приблизительным, поскольку изоспин не является точной симметрией, и, что более важно, потому, что сильное ядерное взаимодействие между двумя нуклонами связано с угловым моментом в спин-орбитальном взаимодействии , которое смешивает различные s- и l -состояния. То есть s и l не постоянны во времени (они не коммутируют с гамильтонианом ), и со временем такое состояние, как s = 1 , l = 0, может стать состоянием s = 1 , l = 2 . Четность по-прежнему постоянна во времени, поэтому они не смешиваются с нечетными состояниями l (например, s = 0 , l = 1 ). Следовательно, квантовое состояние дейтерия представляет собой суперпозицию (линейную комбинацию) состояния s = 1 , l = 0 и состояния s = 1 , l = 2 , хотя первый компонент намного больше. Поскольку полный угловой момент j также является хорошим квантовым числом (он постоянен во времени), оба компонента должны иметь одинаковый j , и, следовательно, j = 1 . Это полный спин ядра дейтерия.

Подводя итог, можно сказать, что ядро ​​дейтерия антисимметрично по изоспину и имеет спин 1 и даже (+1) четность. Относительный угловой момент его нуклонов l не определен четко, а дейтрон представляет собой суперпозицию в основном l = 0 с некоторым l = 2 .

Магнитные и электрические мультиполи

Чтобы теоретически найти магнитный дипольный момент дейтерия ц , используют формулу для ядерного магнитного момента

$\mu ={\frac {1}{j+1}}{\bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\bigr |}\,{\vec {\mu }}\cdot {\vec {\jmath }}\,{\bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\bigr \rangle }$

с

${\vec {\mu }}=g^{(l)}{\vec {l}}+g^{(s)}{\vec {s}}$

г ^{( л )} и г ^{( с )} являются g -факторами нуклонов.

Поскольку протон и нейтрон имеют разные значения g ^{( л )} и г ^{( с )} , необходимо разделить их вклады. Каждый получает половину орбитального углового момента дейтерия. ${\vec {l}}$ и вращаться ${\vec {s}}$. Один приходит в

$\mu ={\frac {1}{j+1}}{\Bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\Bigr |}\left({\frac {1}{2}}{\vec {l}}{g^{(l)}}_{p}+{\frac {1}{2}}{\vec {s}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})\right)\cdot {\vec {\jmath }}\,{\Bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\Bigr \rangle }$

где индексы p и n обозначают протон и нейтрон, а g ^(л) _п = 0 .

Используя те же идентификаторы, что и здесь , и значение g ^(л) _p = 1 , получаем следующий результат в единицах ядерного магнетона μ _N

$\mu ={\frac {1}{4(j+1)}}\left[({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n}){\big (}j(j+1)-l(l+1)+s(s+1){\big )}+{\big (}j(j+1)+l(l+1)-s(s+1){\big )}\right]$

Для состояния s = 1 , l = 0 ( j = 1 ) получаем

$\mu ={\frac {1}{2}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})=0.879$

Для состояния s = 1 , l = 2 ( j = 1 ) получаем

$\mu =-{\frac {1}{4}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})+{\frac {3}{4}}=0.310$

Измеренное значение магнитного дипольного момента дейтерия составляет 0,857 мкН _, что составляет 97,5% от значения 0,879 мкН _, полученного простым сложением моментов протона и нейтрона. Это говорит о том, что состояние дейтерия действительно в хорошем приближении соответствует состоянию s = 1 , l = 0 , которое возникает, когда оба нуклона вращаются в одном направлении, но их магнитные моменты вычитаются из-за отрицательного момента нейтрона.

Но немного меньшее число экспериментов, чем то, которое получается в результате простого сложения моментов протона и (отрицательных) нейтронов, показывает, что дейтерий на самом деле представляет собой линейную комбинацию состояний, состоящих преимущественно из s = 1 , l = 0 с небольшой примесью s = 1 , l = 0. 2 гос.

Электрический диполь, равен нулю как обычно, .

Измеренный электрический квадруполь дейтерия равен 0,2859 э · фм. ² . Хотя порядок величины разумен, поскольку радиус дейтрона составляет порядка 1 фемтометра (см. ниже), а его электрический заряд равен e, приведенной выше модели недостаточно для его расчета. Точнее, электрический квадруполь не получает вклада от состояния l = 0 (которое является доминирующим) и получает вклад от члена, смешивающего состояния l = 0 и l = 2 , поскольку электрический квадрупольный оператор не не коммутирует с угловым моментом .

Последний вклад является доминирующим в отсутствие чистого вклада l = 0 , но его нельзя рассчитать, не зная точной пространственной формы волновой функции нуклонов внутри дейтерия.

Более высокие магнитные и электрические мультипольные моменты не могут быть рассчитаны с помощью вышеуказанной модели по тем же причинам.

Приложения

Ядерные реакторы

Ионизированный дейтерий в термоядерном реакторе излучает характерное розовато-красное свечение.

Дейтерий используется в реакторах деления с тяжеловодным замедлителем , обычно в жидком виде. ² H ₂ O, для замедления нейтронов без высокого поглощения нейтронов, свойственного обычному водороду. Это обычное коммерческое использование больших количеств дейтерия.

В исследовательских реакторах жидкость ² H ₂ используется в холодных источниках для замедления нейтронов до очень низких энергий и длин волн, подходящих для экспериментов по рассеянию .

Экспериментально дейтерий является наиболее распространенным нуклидом , используемым в конструкциях термоядерных реакторов, особенно в сочетании с тритием , из-за большой скорости реакции (или ядерного сечения ) и высокого энергетического выхода реакции дейтерий-тритий (DT). Есть еще более высокая доходность ² ЧАС- ³ Он реакция синтеза, хотя безубыточности точка ² ЧАС- ³ Он выше, чем у большинства других реакций синтеза; вместе с дефицитом ³ По его мнению, это делает его невозможным в качестве практического источника энергии, по крайней мере, до тех пор, пока DT и термоядерный синтез дейтерия (DD) не будут реализованы в коммерческих масштабах. Коммерческий ядерный синтез еще не является завершенной технологией.

ЯМР-спектроскопия

См. Также: ЯМР протонов и ЯМР дейтерия.

Спектр излучения ультрафиолетовой дейтериевой дуговой лампы

Дейтерий чаще всего используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса водорода ( протонный ЯМР ) следующим образом. ЯМР обычно требует анализа интересующих соединений в растворенном виде. Из-за свойств ядерного спина дейтерия, которые отличаются от легкого водорода, обычно присутствующего в органических молекулах, спектры ЯМР водорода/протия сильно отличаются от спектров дейтерия, и на практике дейтерий не «видится» прибором ЯМР, настроенным на ¹ H. Дейтерированные растворители (включая тяжелую воду, а также такие соединения, как дейтерированный хлороформ , CDCl ₃ или C). ² Поэтому HCl ₃ обычно используются в ЯМР-спектроскопии, чтобы можно было измерить только спектры света-водорода интересующего соединения без помех сигнала растворителя.

Спектроскопию ядерного магнитного резонанса также можно использовать для получения информации об окружении дейтрона в изотопно-меченных образцах ( ЯМР дейтерия ). Например, конфигурацию углеводородных цепей в липидных бислоях можно определить количественно с помощью твердотельного ЯМР дейтерия с меченными дейтерием липидными молекулами.

Спектры ЯМР дейтерия особенно информативны в твердом состоянии из-за его относительно небольшого квадрупольного момента по сравнению с таковыми более крупных квадрупольных ядер, таких как, например, хлор-35.

Масс-спектрометрия

Дейтерированные соединения (т.е. в которых все или некоторые атомы водорода заменены дейтерием) часто используются в качестве внутренних стандартов в масс-спектрометрии . Как и другие меченые изотопами виды, такие стандарты повышают точность , хотя зачастую стоят гораздо дешевле, чем другие стандарты, меченные изотопами. Дейтерированные молекулы обычно получают посредством реакций обмена изотопов водорода .

Отслеживание

Дополнительная информация: Дейтерированный растворитель.

В химии , биохимии и науках об окружающей среде дейтерий используется в качестве нерадиоактивного стабильного изотопного индикатора , например, в тесте на дважды меченную воду . В химических реакциях и путях метаболизма дейтерий ведет себя примерно так же, как обычный водород (с некоторыми химическими отличиями, как уже отмечалось). Его легче всего отличить от обычного водорода по массе, используя масс-спектрометрию или инфракрасную спектрометрию . Дейтерий можно обнаружить с помощью фемтосекундной инфракрасной спектроскопии, поскольку разница масс резко влияет на частоту молекулярных колебаний; ² Колебания связи H–углерод обнаруживаются в областях спектра, свободных от других сигналов.

Измерения небольших изменений естественного содержания дейтерия, а также стабильных тяжелых кислорода. изотопов ¹⁷ О и ¹⁸ О, имеют важное значение в гидрологии , чтобы проследить географическое происхождение вод Земли. Тяжелые изотопы водорода и кислорода в дождевой воде ( метеорной воде ) обогащаются в зависимости от температуры окружающей среды региона, в котором выпадают осадки (и, таким образом, обогащение связано с широтой). Относительное обогащение тяжелыми изотопами дождевой воды (по отношению к средней океанской воде) при построении графика зависимости от температуры предсказуемо падает вдоль линии, называемой глобальной линией метеорных вод (GMWL). Этот график позволяет идентифицировать образцы воды, образовавшейся в результате осадков, а также общую информацию о климате, в котором она возникла. Испарительные и другие процессы в водоемах, а также процессы в грунтовых водах также по-разному изменяют соотношение тяжелых изотопов водорода и кислорода в пресных и соленых водах характерным и часто регионально различающимся образом. Соотношение концентрации ² Ч до ¹ H обычно обозначается дельтой как δ. ² H , а географическая закономерность этих значений нанесена на карты, называемые изоскопами. Стабильные изотопы включены в состав растений и животных, и анализ их соотношения у перелетных птиц или насекомых может помочь дать приблизительное представление об их происхождении.

Контрастные свойства

Методы рассеяния нейтронов особенно выигрывают от доступности дейтерированных образцов: ¹ Рука ² Сечения H очень четкие и различаются по знаку, что позволяет варьировать контраст в таких экспериментах. Кроме того, неприятной проблемой нормального водорода является его большое сечение некогерентных нейтронов, которое равно нулю для ² H. Таким образом, замена обычного водорода дейтерием снижает шум рассеяния.

Водород является важным и основным компонентом всех материалов органической химии и наук о жизни, но он практически не взаимодействует с рентгеновскими лучами. Поскольку атомы водорода (в том числе дейтерия) сильно взаимодействуют с нейтронами; методы рассеяния нейтронов вместе с современной установкой дейтерирования, заполняет нишу во многих исследованиях макромолекул в биологии и многих других областях.

Ядерное оружие

См. ниже. Большинство звезд, включая Солнце, на протяжении большей части своей жизни генерируют энергию, превращая водород в более тяжелые элементы; однако такой синтез легкого водорода (протия) никогда не был успешным в условиях, достижимых на Земле. Таким образом, любой искусственный синтез, включая синтез водорода в водородных бомбах, требует тяжелого водорода (дейтерия, трития или того и другого).

Наркотики

Основная статья: Дейтерированный препарат

Дейтерированный лекарственный препарат представляет собой низкомолекулярный лекарственный препарат, в котором один или несколько атомов водорода в молекуле лекарственного средства заменены дейтерием. Из-за кинетического изотопного эффекта дейтерийсодержащие препараты могут иметь значительно более низкую скорость метаболизма и, следовательно, более длительный период полураспада . В 2017 году дейтетрабеназин стал первым дейтерированным препаратом, получившим одобрение FDA.

Усиленные необходимые питательные вещества

Дейтерий можно использовать для усиления специфических, уязвимых к окислению связей C–H в незаменимых или условно незаменимых питательных веществах . такие как определенные аминокислоты или полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), что делает их более устойчивыми к окислительному повреждению. Дейтерированные полиненасыщенные жирные кислоты , такие как линолевая кислота , замедляют цепную реакцию перекисного окисления липидов , повреждающую живые клетки. Дейтерированный этиловый эфир линолевой кислоты ( RT001 ), разработанный Retrotope, проходит исследование по щадящему использованию при детской нейроаксональной дистрофии и успешно завершил исследование фазы I/II при атаксии Фридрейха .

Термостабилизация

Живые вакцины, такие как пероральная вакцина против полиомиелита , могут быть стабилизированы дейтерием либо отдельно, либо в сочетании с другими стабилизаторами, такими как MgCl ₂ .

Замедление циркадных колебаний

Было показано, что дейтерий удлиняет период колебаний циркадных часов при введении крысам, хомякам и динофлагеллятам Gonyaulax . У крыс хроническое потребление 25% ² H ₂ O нарушает циркадный ритм, удлиняя циркадный период супрахиазматических ядер -зависимых ритмов в гипоталамусе головного мозга. Эксперименты на хомяках также подтверждают теорию о том, что дейтерий действует непосредственно на супрахиазматическое ядро, удлиняя свободный циркадный период.

История

Подозрение на изотопы более легких элементов

Существование нерадиоактивных изотопов более легких элементов подозревалось при изучении неона еще в 1913 году и было доказано масс-спектрометрией легких элементов в 1920 году. В то время нейтрон еще не был открыт, и преобладающая теория заключалась в том, что изотопы Элементы отличаются наличием в ядре дополнительных протонов, сопровождаемых равным числом ядерных электронов . В этой теории ядро ​​дейтерия с массой два и зарядом один должно содержать два протона и один ядерный электрон. Однако ожидалось, что элемент водород с измеренной средней атомной массой, очень близкой к 1 Да , известной массе протона, всегда имеет ядро, состоящее из одного протона (известная частица), и не может содержать второй протон. . Таким образом, считалось, что водород не имеет тяжелых изотопов.

Обнаружен дейтерий

Гарольд Юри, первооткрыватель дейтерия

Впервые он был обнаружен спектроскопически в конце 1931 года Гарольдом Юри , химиком из Колумбийского университета . Сотрудник Юри, Фердинанд Брикведде , перегнал пять литров в криогенно полученного жидкого водорода 1 мл жидкости , используя лабораторию низкотемпературной физики, которая недавно была создана в Национальном бюро стандартов (ныне Национальный институт стандартов и технологий ) в Вашингтоне. ДК. Ранее этот метод использовался для выделения тяжелых изотопов неона. Метод криогенного испарения концентрировал фракцию изотопа водорода массы-2 до такой степени, что его спектроскопическая идентификация была однозначной.

Именование изотопа и Нобелевская премия

Юри создал названия протий , дейтерий и тритий в статье, опубликованной в 1934 году. Название частично основано на совете Гилберта Н. Льюиса, который предложил название «дейций». Название происходит от греческого deuteros «второй», а ядро ​​должно было называться «дейтрон» или «дейтон». Изотопам и новым элементам традиционно давали имя, выбранное их первооткрывателем. Некоторые британские ученые, такие как Эрнест Резерфорд , хотели назвать изотоп «диплоген», от греческого diploos «двойной», а ядро ​​называть «диплоном».

Количество, предполагаемое для нормального содержания дейтерия, было настолько малым (всего около 1 атома на 6400 атомов водорода в морской воде [156 частей на миллион]), что оно не оказало заметного влияния на предыдущие измерения (средней) атомной массы водорода. Это объясняло, почему об этом не подозревали раньше. Юри смог концентрировать воду, чтобы продемонстрировать частичное обогащение дейтерием. Льюис , научный руководитель Юри в Беркли , подготовил и охарактеризовал первые образцы чистой тяжелой воды в 1933 году. Открытие дейтерия, предшествовавшее открытию нейтрона в 1932 году, стало экспериментальным шоком для теории ; но когда было сообщено о нейтроне, что сделало существование дейтерия более объяснимым, Юри был удостоен Нобелевской премии по химии всего через три года после выделения изотопа. Льюис был глубоко разочарован решением Нобелевского комитета в 1934 году, и несколько высокопоставленных администраторов Беркли считали, что это разочарование сыграло центральную роль в его самоубийстве десять лет спустя.

Эксперименты с «тяжелой водой» во Второй мировой войне

Основная статья: Тяжелая вода

Незадолго до войны Ганс фон Хальбан и Лью Коварски перенесли свои исследования по замедлению нейтронов из Франции в Великобританию, переправив контрабандой весь мировой запас тяжелой воды (производившейся в Норвегии) ​​в двадцати шести стальных бочках.

что во время Второй мировой войны Известно , нацистская Германия проводила эксперименты с использованием тяжелой воды в качестве замедлителя в конструкции ядерного реактора . Такие эксперименты были источником беспокойства, поскольку они могли позволить им производить плутоний для атомной бомбы . В конечном итоге это привело к операции союзников под названием « Норвежский саботаж тяжелой воды », целью которой было уничтожение завода по производству/обогащению дейтерия в Веморке в Норвегии. В то время это считалось важным для потенциального хода войны.

После окончания Второй мировой войны союзники обнаружили, что Германия не прикладывает к этой программе столь серьезных усилий, как считалось ранее. Немцы завершили лишь небольшой, частично построенный экспериментальный реактор (который был спрятан) и не смог поддерживать цепную реакцию. К концу войны у немцев не было и пятой части количества тяжелой воды, необходимой для работы реактора, частично из-за норвежской диверсионной операции с тяжелой водой. Однако даже если бы немцам удалось ввести в эксплуатацию реактор (как это сделали США с реактором №1 в Чикаго в конце 1942 года), до разработки атомной бомбы им все равно оставалось бы по крайней мере несколько лет . , инженерный процесс, даже при максимальных усилиях и финансировании, потребовал около двух с половиной лет (от первого критического реактора до бомбы) как в США, так и в СССР Например, .

В термоядерном оружии

Основная статья: Термоядерное оружие

Корпус устройства «Колбаска» бомбы Ivy Mike H , прикрепленный к приборному и криогенному оборудованию. Бомба высотой 20 футов содержала криогенную колбу Дьюара , вмещающую 160 кг жидкого дейтерия.

62-тонное устройство «Айви Майк» , построенное Соединенными Штатами и взорвавшееся 1 ноября 1952 года, стало первой полностью успешной « водородной бомбой » (термоядерной бомбой). В этом контексте это была первая бомба, в которой большая часть высвободившейся энергии происходила на стадиях ядерной реакции , последовавших за первичной ядерного деления стадией атомной бомбы . Бомба Айви Майка представляла собой здание, напоминающее заводское, а не доставляемое оружие. В его центре очень большая цилиндрическая изолированная вакуумная колба или криостат содержала криогенный жидкий дейтерий в объеме около 1000 литров (массой 160 килограммов, если этот объем был полностью заполнен). Затем обычная атомная бомба («основная») на одном конце бомбы была использована для создания условий экстремальной температуры и давления, необходимых для запуска термоядерной реакции .

В течение нескольких лет были разработаны так называемые «сухие» водородные бомбы, не нуждающиеся в криогенном водороде. Опубликованная информация позволяет предположить, что все термоядерное оружие, созданное с тех пор, содержит химические соединения дейтерия и лития на вторичных стадиях. Материал, содержащий дейтерий, в основном представляет собой дейтерид лития , причем литий состоит из изотопа лития-6 . Когда литий-6 бомбардируется быстрыми нейтронами атомной бомбы, образуется тритий (водород-3), а затем дейтерий и тритий быстро вступают в термоядерный синтез , высвобождая обильную энергию, гелий-4 и еще больше свободных нейтронов. . «чистое» термоядерное оружие, такое как « Царь-бомба», Считается, что устарело. В большинстве современных («усиленных») термоядерных вооружений термоядерный синтез напрямую обеспечивает лишь небольшую часть общей энергии. Деление тампера природного урана-238 быстрыми нейтронами, образующимися в результате D-T-синтеза, приводит к гораздо большему (то есть повышенному) выделению энергии, чем сама реакция термоядерного синтеза.

Современные исследования

В августе 2018 года ученые заявили о превращении газообразного дейтерия в жидкую металлическую форму . Это может помочь исследователям лучше понять газовые планеты-гиганты, такие как Юпитер, Сатурн и некоторые экзопланеты , поскольку считается, что такие планеты содержат много жидкого металлического водорода, который может быть ответственен за наблюдаемые ими мощные магнитные поля .

Антидейтерий

Антидейтрон — это антивещественный аналог ядра дейтерия, состоящий из антипротона и антинейтрона . Впервые антидейтрон был получен в 1965 году на протонном синхротроне ЦЕРН . и синхротрон переменного градиента в Брукхейвенской национальной лаборатории . Полный атом с позитроном , вращающимся вокруг ядра, назывался бы антидейтерием , но по состоянию на 2019 год антидейтерий еще не создан. Предлагаемый символ антидейтерия:
Д
, то есть D с чертой.

См. также

• Изотопы водорода
• Токамак

Внешние ссылки

• «Центр ядерных данных» . КАЭРИ .
• «Аннотированная библиография по дейтерию» . ALSOS: Цифровая библиотека по ядерным вопросам . Лексингтон, Вирджиния: Университет Вашингтона и Ли . Архивировано из оригинала 5 мая 2010 года . Проверено 26 ноября 2019 г.
• Маллинз, Джастин (27 апреля 2005 г.). «Демонстрация настольного ядерного синтеза» . Новый учёный .
• Ллойд, Робин (21 августа 2006 г.). «В Млечном Пути обнаружен пропавший газ» . Space.com .