Back

ⓘ Изотопи водоника




Изотопи водоника
                                     

ⓘ Изотопи водоника

Водоник има три изотопа који се могу наћи у природи, понекад означени 1 H, 2 H и 3 H. Прва два су стабилна, док 3 H има време полураспада од 12.32 године. Такође постоје и тежи изотопи, који су сви синтетички и имају време полураспада мање од једне зептосекуне. Од ових 5 H је најстабилнији, а 7 H најнестабилнији.

Водоник је једини елемент чији изотопи имају различита имена у уобичајеној употреби данас: 2 H или водоник-2 је деутеријум, а 3 H водоник-3 изотоп је трицијум. За деутеријум и трицијум се понекад користе симболи D и Т. IUPAC прихвата симболе D и Т, али препоручује да се уместо тога користе стандардни симболи 2 H и 3 H, како би се избегла забуна при абецедном сортирању хемијских формула. Обичан изотоп водоника, без неутрона, понекад се назива протијум.

                                     

1. Водоник-1 протијум

1 H атомска маса 1.00782503224194 U) је најчешћи изотоп водоника са 99.98% заступљености. Због тога што се језгро овог изотопа састоји од само једног протона, добило је формалан назив протијум.

Протон се никада није посматрао до пропадања, и због тога се сматра да је водоник-1 стабилан изотоп. Неке теорије великог обједињења предложене 1970-их предвиђају да распад протона може да се догоди са временом полураспада између 10 31 и 10 36 година. Ако се установи да је ово предвиђање истинито, онда је водоник-1 и свакако сва језгра за која се сада сматра да су стабилни само" посматрано” стабилни. До данас, експерименти су показали да је минимално време полураспада протона у вишку од 10 34 година.

                                     

2. Водоник-2 деутеријум

2 H атомска маса 2.0141017781112 U), други стабилни изотоп водоника, познат је као деутеријум, и у језгру садржи један протон и један неутрон. Језгро деутеријума се зове деутерон. Деутеријум чини 0.0026 – 0.0184% популацијом, а не масом водоникових узорака на Земљи, где се нижи број претежно налази у узорцима водониковог гаса, а веће обогаћење 0.015% или 150 ppm типично за морску воду. Деутеријум на Земљи је обогаћен с обзиром на почетну концентрацију у Великом праску и спољњем Сунчевом систему око 27 ppm, фракцијом атома и концентрацијом у старијим деловима Млечног пута око 23 ppm. Претпоставља се да је диференцијална концентрација деутеријума у унутрашњем Соларном систему последица ниже испарљивости деутеријумовог гаса и једињења, обогаћујући фракције деутеријума у кометама и планетама изложеним значајној топлоти Сунца током милијарди година еволуције Сунчевог система.

Деутеријум није радиоактиван, и не представља значајну опасност од токсичности. Вода обогаћена молекулима који садрже деутеријум уместо протијума, зове се тешка вода. Деутеријум и његова једињења се користе као нерадиоактивна ознака у хемијским експериментима и раставарачима за 1 H-NMR спектроскопију. Тешка вода се користи као неутронски модератор и расхладно средство за нуклеарне реакторе. Деутеријум је такође потенцијално гориво за комерцијалну нуклеарну фузију.

                                     

3. Водоник-3 трицијум

3 H атомска маса 3.0160492819923 U) познат је као трицијум, и у језгру садржи један протон и два неутрона. Радиоактиван је, распада се у хелијум-3 кроз бета-распад са временом полураспада од 12.32 године. Трагови трицијума јављају се природно услед интеракције космичког зрачења са атмосферским гасовима. Трицијум се такође ослобађа током тестирања нуклеарних оружја. Користи се у термонуклеарном фузионим реакторима, као индикатор у изотопној геохемији, и специјализовано у самонапајајућим уређајима за осветљене.

Најчешћа метода производње трицијума је бомбардовање природних изотопа литијума, литијума-6, неутронима у нуклеарном реактору.

Трицијум је некада био рутински коришћен у хемијским и биолошким експериментима означивања као радио-ознака, што је мање уобичајено у последње време. D-T нуклеарна фузија користи трицијум као главни реактант, заједно са деутеријумом, ослобађајући енергију услед губитка масе приликом судара два језгра и фузије при високим температурама.



                                     

4. Водоник-4

4 H атомска маса је 4.0264311 U) садржи један протон и три неутрона у свом језгру. То је веома нестабилан изотоп водоника. Синтетише се у лабораторији бомбардовањем трицијума брзим језгрима водониковог изотопа деутеријума. У овом експерименту, језгро трицијума прима неутрон из брзог језгра деутеријума. О присуству водоника-4 закључујемо на основу детекције емитованог протона. Он се распада кроз емисију неутрона у водоник-3 трицијум са временом полураспада од око 139 ± 10 јоктосекунди или 1.39 ± 0.10 × 10 -22 секунди).

                                     

5. Водоник-5

5 H је веома нестабилан изотоп водоника. Језгро садржи један протон и четири неутрона. Синтетише се у лабораторији бомбардовањем трицијума брзим језгрима трицијума. У овом експеримемнту једно језгро трицијума везује два неутрона од другог при чему настаје језго с једним протоном и четири неутрона. Преостали протон је могуће детектовати и тако закључујемо о постојању водоника-5. Распада се приликом двоструке емисије неутрона на водоник-3 трицијум и има време полураспада од најмање 910 јоктосекунди 9.1 × 10 -22 секунди.

                                     

6. Водоник-6

6 H распада се или приликом троструког зрачења неутронима на водоник-3 трицијум или четвороструког неутронског зрачења на водоник-2 деутеријум и има време полураспада од 290 јоктосекунди 2.9 × 10 -22 секунди.

                                     

7. Водоник-7

7 H састоји се од једног протона и шест неутрона. Први пут је синтетизован 2003. године од стране групе руских, јапанских и француских научника у RIKEN-овој фабрици за радиоактивне изотопе бомбардовањем водоника атомом хелијума-8. У резултујућој реакцији свих 6 неутрона хелијума-8 преузима језгро водоника. Два преостала протона су регистрована RIKEN телескопом, уређајем који се састоји од више нивоа сензора, постављених иза циља RI Beam циклотрона. Водоник-7 има период полураспада од 23 јоктосекунде 2.3 × 10 -23 секунди.

                                     

8. Ланци распада

Већина тешких водоникових изотопа распада се директно на 3 H, који се онда распада на стабилни изотoп 3 He. Ипак, 6 H се понекад распад на 2 H.

Периоди распада су у јоктосекундама за све изотопе осим 3 H, који је изражен у годинама.