Дейтерий - Deuterium

Дейтерий, водород-2,  2 H
Водород-2.svg
Изотоп дейтерия выделен в усеченной таблице нуклидов для атомных номеров от 1 до 29. Количество нейтронов начинается с нуля и увеличивается по мере уменьшения. Количество протонов начинается с единицы и увеличивается вправо. Стабильные изотопы синим цветом.
Общий
Условное обозначение 2 ч
Имена дейтерий, H-2, водород-2, D
Протоны 1
Нейтронов 1
Данные о нуклидах
Природное изобилие 0,0156% (Земля)
Изотопная масса 2,01410177811 u
Вращаться 1 +
Избыточная энергия 13135,720 ± 0,001 кэВ
Связывающая энергия 2224,52 ± 0,20 кэВ
Изотопы водорода
Полная таблица нуклидов

Дейтерий (или водород-2 , символ2
ЧАС
или
D
, Также известный как тяжелый водород ) является одним из двух изотопов стабильных из водорода (другой протии , или водорода-1). Ядро из дейтерия атома , называется дейтронами , содержит один протон и один нейтрон , в то время как гораздо более распространенной протия не имеет нейтронов в ядре. Дейтерий имеет естественное содержание в океанах Земли около одного атома в6420 водорода. Таким образом, дейтерий составляет приблизительно 0,0156% (0,0312% по массе) от всего природного водорода в океанах, в то время как на протий приходится более 99,98%. Содержание дейтерия незначительно меняется от одного вида природной воды к другому (см. Венский стандарт средней океанской воды ).

Название дейтерий происходит от греческого deuteros , что означает «второй», для обозначения двух частиц, составляющих ядро. Дейтерий был открыт и назван в 1931 году Гарольдом Юри . Когда в 1932 году был открыт нейтрон, это сделало ядерную структуру дейтерия очевидной, и Юри получил Нобелевскую премию в 1934 году «за открытие тяжелого водорода». Вскоре после открытия дейтерия Юри и другие получили образцы « тяжелой воды », в которых содержание дейтерия было сильно сконцентрировано.

Дейтерий разрушается в недрах звезд быстрее, чем производится. Считается, что другие естественные процессы производят лишь незначительное количество дейтерия. Почти весь дейтерий, обнаруженный в природе, был произведен в результате Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад, поскольку основное или изначальное соотношение водорода-1 к дейтерию (около 26 атомов дейтерия на миллион атомов водорода) возникло с того времени. Это соотношение наблюдается у планет газовых гигантов, таких как Юпитер. Анализ отношений дейтерия и протия в кометах показал результаты, очень похожие на среднее отношение в океанах Земли (156 атомов дейтерия на миллион атомов водорода). Это подкрепляет теории о том, что большая часть океанской воды Земли имеет кометное происхождение. Отношение дейтерия к протию кометы 67P / Чурюмова-Герасименко , измеренное космическим зондом Rosetta , примерно в три раза больше, чем у земной воды. Это самый высокий показатель для кометы.

Таким образом, отношения дейтерия и протия продолжают оставаться активной темой исследований как в астрономии, так и в климатологии.

Отличия от обычного водорода (протия)

Химический символ

Дейтерий часто обозначается химическим символом D. Поскольку это изотоп водорода с массовым числом 2, он также обозначается2
ЧАС
. ИЮПАК допускает как D, так и2
ЧАС
, несмотря на то что 2
ЧАС
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) (дейтерий имеет массу2,014 102  U , по сравнению с средним водорода с атомным весом от1,007 947  ед. , А масса протия составляет1.007 825  ед. ) Дает существенные химические различия с протийсодержащими соединениями, тогда как массовые отношения изотопов в других химических элементах в этом отношении в значительной степени незначительны.

Спектроскопия

В квантовой механике уровни энергии электронов в атомах зависят от приведенной массы системы электрона и ядра. Для атома водорода роль приведенной массы наиболее просто видна в модели атома Бора , где приведенная масса появляется в простом вычислении постоянной Ридберга и уравнения Ридберга, но приведенная масса также появляется в уравнении Шредингера : и уравнение Дирака для расчета уровней энергии атомов.

Приведенная масса системы в этих уравнениях близка к массе отдельного электрона, но отличается от нее на небольшую величину, примерно равную отношению массы электрона к атомному ядру. Для водорода это количество составляет примерно 1837/1836, или 1.000545, а для дейтерия еще меньше: 3671/3670, или 1.0002725. Таким образом, энергии спектральных линий дейтерия и легкого водорода ( водорода-1 ) различаются соотношением этих двух чисел, которое составляет 1.000272. Длины волн всех спектральных линий дейтерия в 1.000272 раза короче соответствующих линий легкого водорода. В астрономических наблюдениях это соответствует синему доплеровскому смещению, в 0,000272 раза превышающему скорость света, или 81,6 км / с.

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

Нуклеосинтез Большого взрыва

Считается, что дейтерий сыграл важную роль в определении количества и соотношения элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва . Комбинируя термодинамику и изменения, вызванные космическим расширением, можно вычислить долю протонов и нейтронов на основе температуры в точке, в которой Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить образование ядер . Этот расчет показывает семь протонов на каждый нейтрон в начале нуклеогенеза , соотношение, которое останется стабильным даже после завершения нуклеогенеза. Первоначально эта доля была в пользу протонов, в первую очередь потому, что меньшая масса протона способствовала их образованию. По мере расширения Вселенная остывала. 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 которых мог произойти нуклеосинтез, температура была достаточно высокой, так что средняя энергия, приходящаяся на одну частицу, была больше, чем энергия связи слабосвязанного дейтерия; поэтому любой образовавшийся дейтерий немедленно разрушался. Эта ситуация известна как « узкое место» по дейтерию . Узкое место задерживало образование любого гелия-4 до тех пор, пока Вселенная не стала достаточно холодной для образования дейтерия (примерно при температуре, эквивалентной 100 кэВ ). В этот момент произошел внезапный всплеск образования элементов (сначала дейтерий, который немедленно слился с гелием). 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, так как некоторые из радиоактивных продуктов нуклеосинтеза Большого взрыва (например, трития ) распадались. Дейтерий-узкое место в образовании гелия вместе с отсутствием стабильных способов соединения гелия с водородом или с самим собой (нет стабильных ядер с массовыми числами пять или восемь) означало, что незначительное количество углерода или каких-либо элементов тяжелее углерода, образовавшегося в результате Большого взрыва. Таким образом, эти элементы требовали образования звезд. В то же время отказ от значительной степени нуклеогенеза во время Большого взрыва гарантировал, что в более поздней Вселенной будет достаточно водорода, доступного для образования долгоживущих звезд, таких как наше Солнце.

Избыток

В следовых количествах дейтерий встречается в природе в виде газообразного дейтерия , что написано2
ЧАС
2 или D 2 , но большинство естественных атомов во Вселенной связаны типичными1
ЧАС
атом, газ, называемый дейтеридом водорода (HD или1
ЧАС
2
ЧАС
).

Существование дейтерия на Земле, в других частях Солнечной системы (что подтверждено планетарными зондами) и в спектрах звезд также является важным элементом космологии . Гамма-излучение от 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 количестве, близком к его наблюдаемому естественному содержанию. Дейтерий образуется в результате редкого распада кластера и случайного поглощения естественных нейтронов легким водородом, но это тривиальные источники. Считается, что внутри Солнца и других звезд дейтерия мало, так как при таких температурах реакции ядерного синтеза, которые потребляют дейтерий, происходят намного быстрее, чем протон-протонная реакция, которая создает дейтерий. Однако дейтерий сохраняется во внешней атмосфере Солнца в примерно той же концентрации, что и на Юпитере, и это, вероятно, не изменилось с момента возникновения Солнечной системы. Естественное содержание дейтерия, по-видимому, очень похоже на долю водорода, где бы водород ни находился, если только не работают очевидные процессы, которые его концентрируют.

Существование дейтерия с низкой, но постоянной первичной долей во всем водороде - еще один аргумент в пользу теории Большого взрыва по сравнению с теорией устойчивого состояния Вселенной. Наблюдаемое соотношение водорода, гелия и дейтерия во Вселенной трудно объяснить, кроме как с помощью модели Большого взрыва. По оценкам, содержание дейтерия существенно не изменилось с момента его производства около 13,8 миллиарда лет назад. Измерения галактического дейтерия в Млечном Пути с помощью ультрафиолетового спектрального анализа показывают соотношение целых 23 атомов дейтерия на миллион атомов водорода в невозмущенных газовых облаках, что всего на 15% ниже расчетного первичного отношения WMAP, составляющего около 27 атомов на миллион из Большого Хлопнуть. Это было интерпретировано как означающее, что при звездообразовании в нашей галактике было разрушено меньше дейтерия, чем ожидалось, или, возможно, дейтерий был восполнен за счет большого поступления 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 предположительно влияет дифференциальная адсорбция дейтерия на зернах углеродной пыли в межзвездном пространстве.

Содержание дейтерия в атмосфере Юпитера было напрямую измерено космическим зондом "Галилео" как 26 атомов на миллион атомов водорода. Наблюдения ISO-SWS обнаружили 22 атома на миллион атомов водорода в Юпитере. и это изобилие, как полагают, соответствует соотношению, близкому к изначальной солнечной системе. Это примерно 17% земного отношения дейтерия к водороду, составляющего 156 атомов дейтерия на миллион атомов водорода.

Кометные тела, такие как комета Хейла-Боппа и комета Галлея , как было измерено, содержат относительно больше дейтерия (около 200 атомов D на миллион атомов водорода), отношения, которые обогащены по сравнению с предполагаемым соотношением протосолнечных туманностей, вероятно, из-за нагрева, и которые являются аналогичны отношениям, обнаруженным в морской воде Земли. Недавнее измерение количества дейтерия в 161 атоме D на миллион водорода в комете 103P / Хартли (бывший объект пояса Койпера ), соотношение почти точно такое же, как в океанах Земли, подчеркивает теорию о том, что поверхностные воды Земли могут быть в значительной степени образованы кометами. Совсем недавно отношение дейтерия к протию (D – H) 67P / Чурюмова-Герасименко, измеренное Розеттой , примерно в три раза больше, чем у земной воды, и это высокий показатель. Это вызвало новый интерес к предположениям о том, что вода на Земле может иметь частично астероидное происхождение.

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

Производство

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

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

Ведущим поставщиком дейтерия в мире была компания Atomic Energy of Canada Limited до 1997 года, когда была остановлена ​​последняя установка по производству тяжелой воды. Канада использует тяжелую воду в качестве замедлителя нейтронов для работы реактора CANDU .

Другой крупный производитель тяжелой воды - Индия. Все атомные электростанции Индии, кроме одной, представляют собой установки с тяжелой водой под давлением, в которых используется природный (т.е. необогащенный) уран. В Индии 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.

В то время как Индия самодостаточна тяжелой водой для собственного использования, Индия теперь также экспортирует тяжелую воду реакторного качества.

Характеристики

Физические свойства

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

Физические свойства соединений дейтерия могут проявлять значительные кинетические изотопные эффекты и другие физические и химические свойства, отличные от аналогов протия. D 2 O , к примеру, является более вязким , чем H 2 O . С химической точки зрения, существуют различия в энергии и длине связи для 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, чем соответствующие связи в протии, и этих различий достаточно, чтобы вызвать значительные изменения в биологических реакциях. Фармацевтические фирмы заинтересованы в том, что дейтерий сложнее удалить из углерода, чем протий.

Дейтерий может заменять протий в молекулах воды с образованием тяжелой воды (D 2 O), которая примерно на 10,6% плотнее, чем обычная вода (так что лед, сделанный из него, тонет в обычной воде). Тяжелая вода слабо токсична для эукариотических животных: 25% замещения воды в организме вызывают проблемы с делением клеток и бесплодие, а замещение 50% вызывает смерть от цитотоксического синдрома (недостаточность костного мозга и повреждение слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта). Однако прокариотические организмы могут выжить и расти в чистой тяжелой воде, хотя и развиваются медленно. Несмотря на эту токсичность, потребление тяжелой воды в нормальных 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 для человека, содержащие количество дейтерия, сравнимое с тем, которое обычно присутствует в организме) обычно используются в качестве безвредных метаболических индикаторов для людей и животных.

Квантовые свойства

Дейтрон имеет спин +1 (« триплетное состояние ») и, таким образом, является бозоном . Частота ЯМР дейтерия значительно отличается от обычного легкого водорода. Инфракрасная спектроскопия также легко дифференцирует многие дейтерированные соединения из-за большой разницы в частоте ИК-поглощения, наблюдаемой при колебании химической связи, содержащей дейтерий, по сравнению с легким водородом. Два стабильных изотопа водорода также можно различить с помощью масс-спектрометрии .

Нуклон триплетного дейтрона практически 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 нет, но эта виртуальная частица временно существует во время неупругого рассеяния нейтрона на протоне, что объясняет необычно большое сечение рассеяния нейтронов протоном.

Ядерные свойства (дейтрон)

Масса и радиус дейтрона

Ядро дейтерия называется дейтроном . Имеет массу2,013 553 212 745 (40) u (чуть более1,875 ГэВ ).

Радиус заряда дейтрона2,127 99 (74)  фм .

Как и радиус протона , измерения с использованием мюонного дейтерия дают меньший результат:2.125 62 (78)  фм .

Спин и энергия

Дейтерий - один из пяти стабильных нуклидов с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов. (2
ЧАС
, 6
Ли
, 10
B
, 14
N
, 180 м
Та
; также долгоживущие радиоактивные нуклиды40
K
, 50
V
, 138
Ла
, 176
Лу
происходят естественно.) Большинство нечетно-нечетных ядер нестабильны по отношению к бета-распаду , потому что продукты распада четно-четные и, следовательно, более сильно связаны из-за эффектов ядерного спаривания . Дейтерий, однако, выигрывает от того, что его протон и нейтрон связаны со спином-1, что дает 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 другое квантовое число, такое как 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 к нестабильности ядра дипротона и динейтрона .

Протон и нейтрон, составляющие дейтерий, могут быть диссоциированы посредством взаимодействия нейтрального тока с нейтрино . Сечение этого взаимодействия сравнительно велико, и дейтерий был успешно использован в качестве мишени нейтрино в нейтринной обсерватории Садбери эксперименте.

Двухатомный дейтерий (D 2 ) имеет орто- и пара- ядерные спиновые изомеры, такие как двухатомный водород, но с различиями в количестве и населенности спиновых состояний и вращательных уровней , которые возникают из-за того, что дейтрон является бозоном с ядерным спином, равным единице.

Изоспин-синглетное состояние дейтрона

Из-за сходства массы и ядерных свойств между протоном и нейтроном их иногда рассматривают как два симметричных типа одного и того же объекта - нуклона . Хотя электрический заряд имеет только протон, им 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 - это симметрия SU (2) , как и обычный спин , поэтому он полностью аналогичен ей. Протон и нейтрон, каждый из которых имеет изо- спин - 1 / 2 , образует изоспиновой дублет (аналогичный на спин дублет ), с «вниз» состоянием (↓) будучи нейтроном и «вверх» состояние (↑) существо протон. Пара нуклонов может находиться либо в антисимметричном состоянии изоспина, называемом синглетом , либо в симметричном состоянии, называемом триплетом . Что касается состояния «вниз» и «вверх», синглет

, что также можно записать:

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

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 нестабильны.

Приближенная волновая функция дейтрона

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

Дейтрон, будучи изоспиновым синглетом, антисимметричен по отношению к обмену нуклонами из-за изоспина и, следовательно, должен быть симметричным по отношению к двойному обмену их спина и местоположения. Следовательно, он может находиться в любом 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 (обмен местоположения), в общей сложности (-1 ) по мере необходимости для антисимметрии.
  • Антисимметричный спин и антисимметричный по 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 (обмен местоположения), снова в сумме (- 1) для антисимметрии.

В первом случае дейтрон является триплетом спинов, так что его полный спин s равен 1. Он также имеет четность и, следовательно, орбитальный угловой момент l  ; Чем меньше его орбитальный угловой момент, тем меньше его энергия. Следовательно, самое низкое возможное энергетическое состояние имеет s = 1 , l = 0 .

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

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

Те же соображения приводят к возможным состояниям изоспинового триплета, имеющим s = 0 , l = четное или s = 1 , l = нечетное . Таким образом, состояние с наименьшей энергией имеет s = 1 , l = 1 , выше, чем у изоспинового синглета.

Только что приведенный анализ на самом деле является лишь приблизительным, как потому, что изоспин не является точной симметрией, так 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 l состояниями (такими как s = 0 , l = 1 ). Следовательно, квантовое состояние дейтерия является суперпозицией (линейной комбинацией) состояния s = 1 , l = 0 и состояния s = 1 , l = 2 , даже если 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.

Таким образом, ядро ​​дейтерия антисимметрично по изоспину и имеет спин 1 и четность (+1). Относительный угловой момент его нуклонов l точно не определен, а дейтрон представляет собой суперпозицию в основном l = 0 с некоторым l = 2 .

Магнитные и электрические мультиполи

Чтобы теоретически найти магнитный дипольный момент дейтерия μ, используется формула для ядерного магнитного момента

с участием

g (l) и g (s) - g-факторы нуклонов.

Поскольку протон и нейтрон имеют разные значения для g (l) и g (s) , необходимо разделить их вклады. Каждый из них получает половину орбитального углового момента и спина дейтерия . Один прибывает в

где нижние индексы p и n обозначают протон и нейтрон, а g (l) n = 0 .

Используя те же тождества, что и здесь, и значение g (l) p = 1 , мы приходим к следующему результату в единицах ядерного магнетона μ N

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

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

Измеренное значение магнитного дипольного момента дейтерия составляет0,857 М Н , что 97,5% от0,879 μ N значение , полученное путем простого добавления моментов протона и нейтрона. Это говорит о том, что состояние дейтерия действительно в хорошем приближении s = 1 , l = 0 состояние, которое возникает, когда оба нуклона вращаются в одном направлении, но их магнитные моменты вычитаются из-за отрицательного момента нейтрона.

Но немного меньшее экспериментальное число, чем то, которое получается в результате простого сложения протонного и (отрицательного) нейтронного моментов, показывает, что дейтерий на самом деле представляет собой линейную комбинацию в основном состояния s = 1 , l = 0 с небольшой примесью s = 1 , l = 2 состояние.

Электрический диполь равен нулю , как обычно .

Измеренный электрический квадруполь дейтерия равен0,2859  э · фм 2 . Хотя порядок величины является разумным, поскольку радиус дейтерия составляет порядка 1 фемтометра (см. Ниже), а его электрический заряд равен e, вышеуказанная модель не подходит для ее расчета. Более конкретно, электрический квадруполь не получает вклада от состояния l = 0 (которое является доминирующим) и действительно получает вклад от члена, смешивающего состояния l = 0 и l = 2, потому что оператор электрического квадруполя делает не коммутируют с угловым моментом .

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

Высшие магнитные и электрические мультипольные моменты не могут быть рассчитаны с помощью вышеупомянутой модели по аналогичным причинам.

Приложения

Дейтерий имеет ряд коммерческих и научных применений. Это включает:

Ядерные реакторы

Ионизированный дейтерий в фузорном реакторе излучает характерное розовато-красное свечение

Дейтерий используется в реакторах деления с замедлителем тяжелой воды , обычно в виде жидкого D 2 O, для замедления нейтронов без высокого поглощения нейтронов, как у обычного водорода. Это обычное коммерческое использование больших количеств дейтерия.

В исследовательских реакторах жидкий D 2 используется в холодных источниках для смягчения 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 поперечного сечения ) и высокого выхода энергии D – T реакции. Есть еще более доходный D–3
Он
реакция синтеза, хотя точка безубыточности D–3
Он
выше, чем у большинства других реакций синтеза; вместе с нехваткой3
Он
, это делает его неприемлемым в качестве практического источника энергии до тех пор, пока, по крайней мере, реакции синтеза D – T и D – D не будут выполнены в промышленном масштабе. Коммерческий ядерный синтез еще не реализован.

ЯМР спектроскопия

Спектр излучения ультрафиолетовой дейтериевой дуговой лампы

Дейтерий чаще всего используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса водорода ( протонный ЯМР ) следующим образом. ЯМР обычно требует, чтобы интересующие соединения анализировались как растворенные в растворе. Из-за ядерных спиновых свойств 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 «виден» прибором ЯМР, настроенным на легкий водород. . Поэтому дейтерированные растворители (включая тяжелую воду, а также такие соединения, как дейтерированный хлороформ, CDCl 3 ) обычно используются в ЯМР-спектроскопии, чтобы можно было измерять только спектры легкого водорода интересующего соединения без интерференции сигнала растворителя.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса также может быть использована для получения информации об окружении дейтрона в образцах, меченных изотопами ( ЯМР дейтерия ). Например, гибкость хвоста, представляющего собой длинную углеводородную цепь, в молекулах липидов, меченных дейтерием, можно количественно оценить с помощью твердотельного дейтериевого ЯМР.

Спектры ЯМР дейтерия особенно информативны в твердом состоянии из-за его относительно небольшого квадрупольного момента по сравнению с более крупными квадрупольными ядрами, такими как, например, хлор-35.

Отслеживание

В химии , биохимии и науках об окружающей среде дейтерий используется в качестве нерадиоактивного стабильного изотопного индикатора , например, в тесте воды с двойной меткой . В химических реакциях и метаболических путях дейтерий ведет себя подобно обычному водороду (с некоторыми химическими отличиями, как уже отмечалось). Его легче всего отличить от обычного водорода по его массе с помощью масс-спектрометрии или инфракрасной спектрометрии . Дейтерий можно обнаружить с помощью фемтосекундной инфракрасной спектроскопии, поскольку разница масс сильно влияет на частоту молекулярных колебаний; Колебания связи дейтерий-углерод обнаруживаются в спектральных областях, свободных от других сигналов.

Измерения небольших вариаций естественного содержания дейтерия, а также стабильных тяжелых изотопов кислорода 17 O и 18 O имеют важное значение в гидрологии , чтобы проследить географическое происхождение вод Земли. Тяжелые изотопы водорода и кислорода в дождевой воде (так называемая метеорная вода ) обогащаются в зависимости от температуры окружающей среды в регионе, в котором выпадают осадки (и, таким образом, обогащение связано со средней широтой). Относительное обогащение тяжелыми изотопами в дождевой воде (по отношению к средней воде океана) при отображении в зависимости от температуры предсказуемо падает вдоль линии, называемой глобальной линией метеорной воды (GMWL). Этот график позволяет идентифицировать образцы воды, образовавшейся в результате атмосферных осадков, а также общую информацию о климате, в котором они возникли. Процессы испарения и другие процессы в водоемах, а также процессы в грунтовых водах также по-разному изменяют соотношения тяжелых изотопов водорода и кислорода в пресных и соленых водах характерными и часто регионально различимыми способами. Отношение концентраций 2 H к 1 H обычно обозначается дельтой как δ 2 H, и географические закономерности этих значений наносятся на карты, называемые изоскопами. Стабильные изотопы входят в состав растений и животных, и анализ соотношений у перелетных птиц или насекомых может помочь предложить приблизительное руководство по их происхождению.

Контрастные свойства

Методы рассеяния нейтронов особенно выигрывают от наличия дейтерированных образцов: сечения H и D очень различны и различаются по знаку, что позволяет варьировать контраст в таких экспериментах. Кроме того, неприятной проблемой обычного водорода является его большое некогерентное нейтронное сечение, которое равно нулю для D. Таким образом, замещение атомов водорода атомами дейтерия снижает шум рассеяния.

Водород - важный и главный компонент во всех материалах органической химии и наук о жизни, но он почти не взаимодействует с рентгеновскими лучами. Поскольку водород (и дейтерий) сильно взаимодействуют с нейтронами, методы рассеяния нейтронов вместе с современной установкой дейтерирования заполняют нишу во многих исследованиях макромолекул в биологии и многих других областях.

Ядерное оружие

Это обсуждается ниже. Примечательно, что, хотя большинство звезд, включая Солнце, генерируют энергию на протяжении большей части своей жизни, превращая водород в более тяжелые элементы, такой синтез легкого водорода (протия) никогда не был успешным в условиях, достижимых на Земле. Таким образом, весь искусственный синтез, включая синтез водорода, который происходит в так называемых водородных бомбах, требует тяжелого водорода (трития или дейтерия, либо того и другого) для того, чтобы этот процесс работал.

Наркотики

Дейтерированное лекарственное средство - это лекарственный препарат с небольшими молекулами, в котором один или несколько атомов водорода, содержащихся в молекуле лекарственного средства, заменены дейтерием. Из-за кинетического изотопного эффекта дейтерийсодержащие препараты могут иметь значительно более низкие скорости метаболизма и, следовательно, более длительный период полураспада . В 2017 году дейтетрабеназин стал первым дейтерированным препаратом, получившим одобрение FDA.

Усилен незаменимыми питательными веществами

Дейтерий можно использовать для усиления определенных уязвимых к окислению связей CH в незаменимых или условно незаменимых питательных веществах , таких 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 испытание по сострадательному использованию при детской нейроаксональной дистрофии и успешно завершило испытание фазы I / II при атаксии Фридрейха .

Термостабилизация

Живые вакцины, такие как пероральная вакцина против полиовируса , могут быть стабилизированы дейтерием, отдельно или в комбинации 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% D 2 O нарушает циркадную ритмику за счет удлинения циркадного периода супрахиазматических ядер- зависимых ритмов в гипоталамусе мозга. Эксперименты на хомяках также подтверждают теорию о том, что дейтерий действует непосредственно на супрахиазматическое ядро, удлиняя свободный циркадный период.

История

Подозрение на изотопы легких элементов

Существование нерадиоактивных изотопов более легких элементов подозревалось в исследованиях неона еще в 1913 году и доказано масс-спектрометрией легких элементов в 1920 году. Преобладающая теория в то время заключалась в том, что изотопы элемента различаются наличием дополнительных протонов. в ядре сопровождается равным числом ядерных электронов . Согласно этой теории, ядро ​​дейтерия с массой два и зарядом один будет содержать два протона и один ядерный электрон. Однако ожидалось, что элемент водород с измеренной средней атомной массой очень близок к1 u , известная масса протона, всегда имеет ядро, состоящее из одного протона (известной частицы), и не может содержать второй протон. Таким образом, считалось, что водород не содержит тяжелых изотопов.

Обнаружен дейтерий

Гарольд Юри , первооткрыватель дейтерия

Впервые он был обнаружен спектроскопически в конце 1931 года Гарольдом Юри , химиком из Колумбийского университета . Коллаборатор Урея, Фердинанд Брикведд , дистиллированная пять литров из криогенно полученного жидкого водорода вмл жидкости, используя лабораторию низкотемпературной физики, которая была недавно создана при Национальном бюро стандартов в Вашингтоне, округ Колумбия (ныне Национальный институт стандартов и технологий ). Ранее этот метод использовался для выделения тяжелых изотопов неона. Метод криогенного испарения концентрировал фракцию изотопа водорода с массой 2 до такой степени, что его спектроскопическая идентификация была однозначной.

Название изотопа и Нобелевской премии

Юри создал названия протий , дейтерий и тритий в статье, опубликованной в 1934 году. Название частично основано на совете Г.Н. Льюиса , предложившего название «дейтерий». Название происходит от греческого deuteros («второй»), а ядро ​​следует называть «дейтрон» или «дейтон». Изотопам и новым элементам традиционно давали имя, которое решил их первооткрыватель. Некоторые британские ученые, такие как Эрнест Резерфорд , хотели, чтобы изотоп назывался «диплоген» от греческого « диплоос» («двойной»), а ядро ​​- «дипломат».

Количество, предполагаемое для нормального содержания этого тяжелого изотопа водорода, было настолько маленьким (всего около 1 атома на 6400 атомов водорода в океанской воде (156 дейтерия на миллион водородов)), что оно не оказало заметного влияния на предыдущие измерения (средней) атомной массы водорода. . Это объясняло, почему раньше об этом не подозревали. Юри смог сконцентрировать воду, чтобы показать частичное обогащение дейтерием. Льюис подготовил первые образцы чистой тяжелой воды в 1933 году. Открытие дейтерия, предшествовавшее открытию нейтрона в 1932 году, было экспериментальным потрясением для теории, но когда было сообщено о нейтроне, что сделало существование дейтерия более объяснимым, дейтерий победил. Юри получил Нобелевскую премию по химии в 1934 году. Льюис был озлоблен тем, что его обошли стороной за это признание, данное его бывшему ученику.

Эксперименты с «тяжелой водой» во Второй мировой войне

Незадолго до войны Ханс фон Хальбан и Лью Коварски переместили свои исследования замедления нейтронов из Франции в Великобританию, переправив все мировые запасы тяжелой воды (произведенной в Норвегии) ​​в 26 стальных бочках.

Во время Второй мировой войны , нацистская Германия была , как известно, проводят эксперименты с использованием тяжелой воды в качестве замедлителя для ядерного реактора дизайна. Такие эксперименты вызвали беспокойство, потому что 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 Веморк в Норвегии. В то время это считалось важным для потенциального прогресса войны.

После окончания Второй мировой войны союзники обнаружили, что Германия не вкладывает в эту программу столько серьезных усилий, как предполагалось ранее. Они не смогли выдержать цепную реакцию. Немцы построили только небольшой, частично построенный экспериментальный реактор (который был спрятан). К концу войны у немцев не было даже пятой части тяжелой воды, необходимой для работы реактора, частично из-за норвежской диверсионной операции с тяжелой водой. Однако, даже если бы немцам удалось запустить реактор (как США сделали с графитовым реактором в конце 1942 г.), им все равно оставалось бы по крайней мере несколько лет до разработки атомной бомбы . Процесс проектирования, даже с максимальными усилиями и финансированием, потребовал около двух с половиной лет (от первого критического реактора до бомбы), например, как в США, так и в СССР .

В термоядерном оружии

Корпус устройства "Колбаса" бомбы Ivy Mike H , прикрепленной к контрольно-измерительным приборам и криогенному оборудованию. Бомба высотой 20 футов содержала криогенную колбу Дьюара, вмещавшую 160 кг жидкого дейтерия.

62-тонное устройство Ivy Mike, созданное 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 пришла на стадии ядерной реакции, которые следовали за первичной стадией ядерного деления атомной бомбы . Бомба Айви Майка была похожим на фабрику зданием, а не оружием, которое можно было доставить. В центре очень большой цилиндрической изолированной вакуумной колбы или криостата находился криогенный жидкий дейтерий в объеме около 1000 литров (160 килограммов по массе, если этот объем был полностью заполнен). Затем обычная атомная бомба («первичная») на одном конце бомбы использовалась для создания условий экстремальной температуры и давления, необходимых для запуска термоядерной реакции .

В течение нескольких лет были разработаны так называемые «сухие» водородные бомбы, для которых не требовался криогенный водород. Обнародованная информация предполагает, что все термоядерное оружие, созданное с тех пор, содержит химические соединения дейтерия и лития на вторичных стадиях. Материал, который содержит 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 много энергии, гелий-4 и даже больше свободных нейтронов. .

Современные исследования

В августе 2018 года ученые объявили о превращении газообразного дейтерия в жидкую металлическую форму . Это может помочь исследователям лучше понять гигантские газовые планеты , такие как Юпитер, Сатурн и связанные с ними экзопланеты , поскольку считается, что такие планеты содержат большое количество жидкого металлического водорода, который может быть ответственным за наблюдаемые ими мощные магнитные поля .

Данные для элементарного дейтерия

Формула: D 2 или2
1
ЧАС
2

  • Плотность: 0,180 кг / м 3 на СТП (0 ° C ,101,325 кПа ).
  • Атомный вес: 2.014 101 7926  ед .
  • Среднее содержание в океанской воде (по VSMOW ) 155,76 ± 0,1 частей на миллион (соотношение 1 часть на примерно 6420 частей), то есть примерно0,015% атомов в образце (по количеству, а не по весу)

Данные примерно на 18 К для D 2 ( тройная точка ):

  • Плотность:
    • Жидкость: 162,4 кг / м 3
    • Газ: 0,452 кг / м 3
  • Вязкость: 12,6  мкПа · с при300 К (газовая фаза)
  • Удельная теплоемкость при постоянном давлении c p :
    • Твердый: 2950 Дж / (кг · К)
    • Газ: 5200 Дж / (кг · К)

Антидейтерий

Антидейтон является антиматерия аналога ядра дейтерия, состоящий из антипротона и антинейтрона . Антидейтрон был впервые произведен в 1965 году на протонном синхротроне в ЦЕРНе и в синхротроне с переменным градиентом в Брукхейвенской национальной лаборатории . Полный атом с позитроном, вращающимся вокруг ядра, будет называться антидейтерий , но по состоянию на 2019 год антидейтерий еще не был создан. Предлагаемый символ антидейтерия:
D
, то есть D с чертой сверху.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки


Зажигалка:
водород-1
Дейтерий является
изотоп из водорода
Тяжелее:
тритий
Продукт распада :
-
Цепочка распада
дейтерия
Распадается на:
Стабильный