Войти
 | |
| Общие | |
|---|---|
| Символ | H |
| Имена | дейтерий, H-2, водород-2 |
| протоны | 1 |
| нейтроны | 1 |
| данные нуклидов | |
| естественное содержание | 0,0115% (земля) |
| масса изотопа | 2,01410177811 u |
| Спин | 1 |
| Избыточная энергия | 13135,720 ± 0,001 кэВ |
| Энергия связи | 2224,52 ± 0,20 кэВ |
| Изотопы водорода. Полная таблица нуклидов | |
Дейтерий (или водород-2, символ . H. или . D., также известный как тяжелый водород ) является одним из двух стабильных изотопов водорода (другой - протий или водород-1). Ядро атома дейтерия , называемое дейтроном, содержит один протон и один нейтрон, тогда как гораздо более распространенный протий не имеет нейтронов в ядре. Дейтерий имеет естественное содержание в океанах Земли примерно один атом на 6420 водорода. Таким образом, дейтерий составляет примерно 0,02% (0,03% 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. Венская стандартная средняя океанская вода ).
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 концентрированным.
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 во время Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад, так как основное или изначальное соотношение водорода-1 к дейтерию (около 26 атомов дейтерия на миллион атомов водорода) происходит от то время. Это соотношение наблюдается у планет газовых гигантов, таких как Юпитер. Анализ отношений дейтерия и протия в кометах показал, что результаты очень похожи 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 / Чурюмов-Герасименко, измеренное космическим зондом Rosetta, примерно в три раза больше, чем у земной воды. Это самый высокий показатель, когда-либо измеренный для кометы.
Соотношение дейтерия и протия, таким образом, продолжает оставаться активной темой исследований как в астрономии, так и в климатологии.
Дейтерий газоразрядная трубка дейтерий часто обозначается химическим символом D. Поскольку это изотоп водорода с массовым числом 2, он также представлен как. H.. IUPAC допускает использование как D, так и. H., хотя. H. является предпочтительным. Для удобства используется отчетливый химический символ, поскольку изотоп широко используется в различных научных процессах. Кроме того, его большая разница в массах с протием (H) (дейтерий имеет массу 2,014102 u, по сравнению со средним водородом атомным весом 1,007947 ед., а масса протия 1,007825 ед.) дает немалые химические различия с протийсодержащими соединениями, тогда как массовые отношения изотопов в других химических элементах в этом отношении в значительной степени незначительны.
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 Бора атома, где приведенная масса появляется в простом вычислении постоянной Ридберга. и уравнение Ридберга, но приведенная масса также появляется в уравнении Шредингера и уравнении 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 (водород-1 ) различаются на соотношение этих двух чисел, которое составляет 1.000272. Длины волн всех спектральных линий дейтерия короче соответствующих линий легкого водорода в 1.000272 раз. В астрономических наблюдениях это соответствует синему доплеровскому смещению, в 0,000272 раза превышающему скорость света, или 81,6 км / с.
Различия гораздо более заметны в колебательной спектроскопии, такой как инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния, а также во вращательных спектрах, таких как микроволновая спектроскопия, потому что приведенная масса дейтерия заметно выше, чем у протия. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерий имеет очень 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.
Считается, что дейтерий сыграл важную роль в определении количества и соотношений элементов, которые образовались 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, прежде всего 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, чтобы 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 дейтерия . Узкое место задерживало образование любого гелия-4 до тех пор, пока Вселенная не остыла настолько, что образовался дейтерий (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 содержания элементов были почти фиксированными, с единственным изменением, так как некоторые из радиоактивных продуктов нуклеосинтеза Большого взрыва (такие как тритий ) распадались. Дейтерий-узкое место в образовании гелия вместе с отсутствием стабильных способов соединения гелия с водородом или с самим собой (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 части нуклеогенеза во время Большого взрыва гарантировал, что в более поздней Вселенной будет достаточно водорода, доступного для образования долгоживущих звезд, таких как наше Солнце.
Дейтерий в следовых количествах встречается в природе в виде дейтерия газ, записывается. H. 2или D 2, но наиболее естественным образом встречается в Вселенная связана с типичным атомом. H., газом, называемым дейтеридом водорода (HD или. H.. H.).
Существование дейтерия на Земле, в другом месте Солнечной системы (что подтверждено планетными 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 случайных поглощение естественных нейтронов легким водородом, но это тривиальные источники. Считается, что внутри Солнца и других звезд мало дейтерия, так как при этих температурах реакции ядерного синтеза с потреблением дейтерия происходят намного быстрее, чем протон-протонная реакция, в результате которой образуется 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 над 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 образования 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 оценочного первоначального отношения WMAP, равного примерно 27 атомов на миллион от Большого взрыва. 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 межзвездном пространстве. Атмосфера Юпитера была напрямую измерена космическим зондом Galileo 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 водородов), соотношение, которое обогащены предполагаемым соотношением протосолнечной туманности, вероятно, из-за нагрева, и которые аналогичны отношениям, обнаруженным в морской воде Земли. Недавнее измерение содержания дейтерия в 161 атоме D на миллион водорода в комете 103P / Hartley (бывший объект пояса Койпера ), соотношение почти точно такое же, как в океанах Земли, подчеркивает теорию что поверхностные воды Земли могут образовываться в основном из комет. 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.
Концентрация дейтерия выше среднего солнечного содержания на других планетах земной группы, в частности на Марсе и Венере.
Дейтерий производят для промышленных, научных и военных целей, начиная с обычной воды, небольшую часть которой составляет природная тяжелая вода, а затем отделение тяжелой воды 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 массовый производственный процесс.
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.
Еще одним крупным производителем тяжелой воды является Индия. Все атомные электростанции Индии, кроме одной, представляют собой установки с тяжелой водой под давлением, которые используют природный (то есть 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 обеспечивает себя тяжелой водой для собственных нужд, Индия теперь также экспортирует тяжелую воду реакторного качества.
Физические свойства соединений дейтерия могут проявлять значительные кинетические изотопные эффекты и другие физические и химические отличия свойств от аналогов протия. D2O, например, более вязкий, чем H2O. В химическом отношении 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 заменить протий в молекулах воды с образованием тяжелой воды (D 2 O), что примерно соответствует На 10,6% плотнее обычной воды (так, что лед из нее тонет в обычной воде). Тяжелая вода слабо токсична для эукариотических животных, при этом 25% замещение воды в организме вызывает проблемы с делением клеток и бесплодие, а замещение 50% вызывает смерть от цитотоксического синдрома (недостаточность костного мозга и нарушение слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта). Прокариотические организмы, однако, могут выжить и расти в чистой тяжелой воде, хотя и развиваются медленно. Несмотря на эту токсичность, потребление тяжелой воды при нормальных обстоятельствах не представляет угрозы здоровью для людей. 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 людей, содержащие количество дейтерия, сравнимое с тем, которое обычно присутствует в организме) обычно используются в качестве безвредных метаболических индикаторов для людей и животных.
Дейтрон имеет спин +1 («триплетное состояние ») и, таким образом, является бозоном. Частота ЯМР дейтерия значительно отличается от частоты 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 можно также различить с помощью масс-спектрометрии.
. Триплетный дейтронный нуклон практически не связан при E B = 2,23 МэВ, и ни одно из состояний с более высокой энергией не связано. Синглетный дейтрон - это виртуальное состояние с отрицательной энергией связи ~ 60 кэВ. Такой стабильной частицы нет, но эта виртуальная частица временно существует во время неупругого рассеяния нейтрона и протона, что объясняет необычно большое сечение рассеяния нейтронов протоном.
Ядро дейтерия называется дейтроном . Он имеет массу 2,013553212745 (40) u (чуть более 1,875 ГэВ).
зарядовый радиус дейтрона равен 2,12799 (74) fm.
Как и радиус протона , измерения с использованием мюонного дейтерия дают меньший результат: 2,12562 (78) fm.
Дейтерий является одним из пяти стабильных нуклидов с нечетное количество протонов и нечетное количество нейтронов. (. H., . Li., . B., . N., . Ta. ; также долгоживущие радиоактивные нуклиды . K., . V., . La., . Lu. встречаются в природе.) Большинство нечетно-нечетных ядер нестабильны в отношении бета-распада, потому что продукты распада четно-четное, и поэтому они 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 таким же спином имела другие квантовое число, такое как орбитальный 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 крутомградиенте ядерной силы. В обоих случаях это приводит к тому, что дипротон и ядро динейтрона становятся нестабильными.
Протон и нейтрон, составляющие дейтерий, могут диссоциировать через нейтральный ток взаимодействует с нейтрино. сечение этого взаимодействия сравнительно велико, и дейтерий был успешно использован в качестве нейтринной мишени в эксперименте Нейтринной обсерватории Садбери.
Двухатомный дейтерий (D 2) имеет орто- и пара ядерные спиновые изомеры, такие как двухатомный водород, но с различиями в количестве и заселенности спиновых состояний и вращательные уровни, которые возникают потому, что дейтрон является бозоном с ядерным спином, равным единице.
Из-за сходства в массы и ядерных свойств между протоном и нейтроном, иногда их рассматривают как два симметричных типа одного и того же объекта, нуклона. Хотя только протон имеет электрический заряд, 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 аналоген ему. Протон и нейтрон, каждый из которых имеет изо спин- ⁄ 2, образуют изоспиновый дублет (аналогичный спин-дублету ), при состоянии «вниз» (↓) является нейтрон и состояние «вверх »(↑) - протон. Пара нуклонов может находиться либо в антисимметричном состоянии изоспина, называемом синглет, либо в симметричном состоянии, называемом триплетом. С точки зрения состояния «вниз» и «вверх» синглет равен
, что также можно записать: 
Это ядро с одним протоном и одним нейтрон, т.е. ядро дейтерия. Тройка:
и таким образом из трех типов ядер, которые считаются симметричными: ядро дейтерия (на самом деле его сильно возбужденное состояние ), ядро с двумя протонами и ядро с двумя нейтронами. Эти состояния нестабильны.
Волновая функция дейтрона должна быть антисимметричной, если используется изоспиновое представление (поскольку протон и нейтрон не являются идентичными частями, волновая функция в целом не должна быть антисимметричной). Помимо изоспина, два нуклона также имеют пространственное покрытие своей волновой функции. Последний является симметричным, если дейтрон является симметричным относительно четности четности (т.е. имеет «четную» или «положительную» четность), и антисимметричным, если дейтрон антисимметричен относительно четности (т.е. имеет «нечетную») "паритет". Четкость полностью определена 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, антисимметричным по отношению к изоспинам и, следовательно, должен быть симметричным по отношению к двойному обмену их спина и местоположения. Следовательно, он может находиться в одном из следующих двух различных состояний:
В первом случае дейтрон представляет собой спиновый триплет, так что его полный спин s равен 1. Он также имеет четную четность и, следовательно, орбитальный угловой момент l; Чем меньше его орбитальный угловой момент, тем меньше его энергия. Следовательно, состояние с наименьшей возможной энергией 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 низко возможное энергетическое состояние имеет s = 0, l = 1.
Время s = 1 дает более сильное ядерное притяжение, первое состояние дейтерия находится в s = 1, l = 0 состояние.
Те же соображения приводят к возможным состояниям триплета изоспина, имеющего s = 0, l = четное или s = 1, l = нечетное. Таким образом, состояние с наименьшей энергией имеет s = 1, l = 1, что выше, чем у изоспинового синглета.
Только что приведенный анализ на самом деле является лишь приблизительным, потому что изоспин не является точной симметрией, и, что более важно, потому что сильное ядерное взаимодействие между двумя нуклонами связано с угловой импульс в спин-орбитальное взаимодействиеии, которое смешивает различные s- и l-состояния. То есть s и l непостоянны 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 остается постоянной 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 хотя первый компонент намного больше. Всегда полный угловой момент j также является хорошим квантовым числом (это постоянная во времени), оба компонента должны иметь одинаковый j, и поэтому j = 1. Это полный спин ядра дейтерия.
Подводя итог, ядро дейтерия антисимметрично по изоспину, имеет спин 1 и четность (+1). Относительный угловой момент его нуклонов не определен должным образом, и дейтрон представляет собой суперпозицию в основном l = 0 с некоторыми l = 2.
найти теоретически дейтерий магнитный дипольный момент μ, используется формула для ядерного магнитного момента
с
g и g являются g-факторами нуклонов.
Есть разные значения протон и нейтрон имеют разные значения для g и g, необходимо разделить их вклады. Каждый получает половину орбитального углового момента дейтерия 
где нижние индексы p и n обозначают протон и нейтрон, а g n = 0.
Используя те же идентификаторы, что и здесь, и используя значение g p = 1 μN, мы приходим к следующему результату, в единицах ядерных магнетонов
![{\ displaystyle \ 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)} \ справа]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a3c23357e4baf596b679ef024306fab09a5396a8)
Для состояний s = 1, l = 0 (j = 1) мы получаем
Для состояний s = 1, l = 2 (j = 1) получаем
Измеренное значение дейтерия магнитного дипольного момента составляет 0,857 мкН, что составляет 97,5% от значения 0,879 мкН, полученного сложным моментом 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, которое получается в результате простого сложения протонного и (отрицательного) нейтронного моментов, показывает, что дейтерий на самом деле является линейной комбинацией в основном состояния s = 1, l = 0 с небольшой примесью s = 1, l = 2 состояние.
электрический диполь равенство нулю как обычно.
Измеренный электрический квадруполь дейтерия равен 0,2859 e ·fm. Поскольку радиус дейтерия составляет порядок 1 фемтометра (см. Ниже), его электрический заряд равен e, хотя 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, поскольку электрический квадрупольный оператор не имеет углового момента.
. Последний вклад является доминирующим при отсутствии чистого вклада l = 0, но не может быть вычислен без точной пространственной формы нуклоны волновая функция внутри дейтерия.
Более высокие магнитные и электрические моменты мультипольные моменты не могут быть рассчитаны с помощью вышеуказанной модели по аналогичным причинам.
Дейтерий имеет ряд коммерческих и научных применений. К ним относ:
Ионизированный дейтерий в реакторе фузор, испускающий характерное розовато-красное свечение Дейтерий используется в реакторах деления с тяжеловодным замедлителем, обычно в виде жидкого D 2 O, для замедления нейтронов высокого поглощения нейтронов, как у обычного водорода. Это обычное коммерческое использование больших количеств дейтерия.
В исследовательских реакторах жидкий D 2 используется для смягчения нейтронов до очень низких энергий и длинных, подходящих для экспериментов по рассеянию.
Экспериментально дейтерий распространенным нуклидом, используемым в конструкциях реакторов ядерного синтеза, особенно в наиболее сочетании с тритием, из-за большой скорости реакции (или сечение ядра ) и высокого энергия выход D - Модель реакции. Существует еще более высокопроизводительная реакция слияния D– . He., хотя точка безубыточности для D–. He. выше, чем у других эффектов слияния; вместе с нехваткой. He., 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.
Спектр излучения ультрафиолетовой дейтериевой дуговой лампы Дейтерий наиболее часто используется в водородной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (протон 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 позволить измерять только спектры легкого водорода интересующего соединения. без помех сигнала растворителя.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса также может использоваться для получения информации об окружении дейтрона в меченных изотопами образцах (ЯМР дейтерия ). Например, гибкость хвоста, представляющего собой длинную углеводородную цепь, в молекулах липидов, меченных дейтерием, может быть количественно определена с помощью твердотельного ЯМР дейтерия.
Спектры ЯМР дейтерия особенно информативны в твердом состоянии из-за его относительно небольшой квадрупольный момент по сравнению с квадрупольными ядрами большего размера, например, с хлором-35.
В химии, биохимии и науках об окружающей среде дейтерий используется как нерадиоактивный, стабильный изотопный индикатор, например, в тесте на воду с двойной меткой. В химических реакциях и метаболических путях дейтерий ведет себя несколько аналогично обычному водороду (с некоторыми химическими различиями, как отмечалось). Его легче всего отличить от обычного водорода по его массе с помощью масс-спектрометрии или инфракрасной спектрометрии. Дейтерий может быть обнаружен 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, наряду с измерениями стабильных тяжелых изотопов кислорода O и 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 региона, 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 по 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 H к H обычно обозначается дельтой как δH, и географические закономерности этих значений нанесены 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 к их происхождению.
Методы рассеяния нейтронов особенно выигрывают от наличие дейтерированных образцов: сечения H и D очень четкие 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, замена атомов водорода атомами дейтерия снижает шум рассеяния.
Водород - важный компонент во всех материалах органической химии и наук о жизни, но он почти не взаимодействует с рентгеновскими лучами. В биологии и многих других областях используются методы рассеяния нейтронов вместе с современной установкой дейтерия, заполняют нишу во многих исследованиях макромолекул в биологии и многих других областях.
Это обсуждается ниже. Примечательно, что, хотя большинство звезд, включая Солнце, генерируют энергию на 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, который происходит в так называемом синтезе водородных бомб, требует того, чтобы этот процесс работал в организме человека.
Дейтерированное лекарственное средство - это низкомолекулярный лекарственный препарат, в котором один или несколько элементов водорода, сися в молекуле лекарственного средства, были заменен дейтерием. Из-за кинетического изотопного эффекта дейтерийсодержащие препараты могут иметь значительно более низкие скорости метаболизма и, следовательно, более длительный период полувыведения. В 2017 г. дейтетрабеназин первым стал дейтерированным препаратом, получившим одобрение FDA.
Дейтерий можно использовать для усиления определенных уязвимых окислительных связей CH в основных или условно незаменимые питательные вещества, такие как источники 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, которая повреждает живые клетки. Дейтерированный этиловый эфир линолевой кислоты (RT001 ), шаблон Retrotope, проходит испытание в отношении сострадательного использования при детской нейроаксональной дистрофии и успешно завершил фазу I / II испытание атаксии Фридрейха.
Живые вакцины, такие как пероральная полиовакцина, могут быть стабилизированы дейтерием, отдельно или в сочетании с другими стабилизаторами, такими как MgCl 2.
Было показано, что дейтерий удлиняет периодические колебания циркадных часов при дозировании у крыс, хомяков и динофлагеллят Gonyaulax. У крыс хроническое потребление 25% D 2 O нарушает циркадную ритмичность за счет удлинения циркадного периода супрахиазматических ядер -зависимых ритмов в гипоталамусе мозга. Эксперименты на хомяках также подтверждают теорию о том, что дейтерий воздействует на супрахиазматическое ядро , удлиняя свободный циркадный период.
Существование нерадиоактивных изотопов более легких элементов подозревалось вх неона еще в 1913 году и подтверждено масс-спектрометрией исследования легких элементов в 1920 году. Преобладающая теория в то время заключалась в том, что изотопы элемента различаются наличие дополнительных протонов в ядре, сопровождаемых таким же количеством 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 близкой к 1 u, известной массе 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.
Гарольд Юри, первооткрыватель дейтерия Впервые он был обнаружен спектроскопически в конце 1931 года Гарольдом Ури, химиком из Колумбийского университета. Сотрудник Юри, Фердинанд Брикведд, дистиллировал пять литров криогенно произведенного жидкого водорода до 1 мл. жидкости, используя лабораторию низкотемпературной физики, которая недавно была 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 сконцентрировал фракцию изотопа водорода с массой 2 до такой степени, что его спектроскопическая идентификация была однозначной.
Юри придумал названия протий, дейтерий и тритий в статье, опубликованной в 1934 году. Название частично основано на рекомендациях Г. Н. Льюис, предложивший название «дейтиум». 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 был назван «диплогеном» от греческого слова diploos («двойной»), а ядро - «диплоном».
Количество, предполагаемое для нормального содержания этого тяжелого изотопа водорода, было настолько малым (всего около 1 атома на 6400 атомов водорода в океанской воде (156 дейтерия на миллион водородов)), что не оказало заметного влияния на предыдущие измерения (среднего) атомного водорода. масса. Это объясняло, почему раньше об этом не подозревали. Юри смог сконцентрировать воду, чтобы показать частичное обогащение дейтерием. Льюис приготовил первые образцы чистой тяжелой воды в 1933 году. Открытие дейтерия, предшествовавшее открытию нейтрона в 1932 году, было экспериментальным шоком для теории, но когда сообщалось о нейтроне, дейтерий Существование более объяснимо, дейтерий принес Юри Нобелевскую премию по химии в 1934 году. Льюис был озлоблен тем, что его обошли стороной за это признание, данное его бывшему ученику.
Незадолго до войны Ханс фон Хальбан и Лью Коварски переместили свои исследования замедления нейтронов из Франции в Великобританию, переправив все мировые запасы тяжелой воды. (который был произведен в Норвегии) в двадцати шести стальных барабанах.
Во время Второй мировой войны нацистская Германия, как было известно, проводила эксперименты с использованием тяжелой воды в качестве замедлителя проекта ядерного реактора. 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 Веморк завода по производству / обогащению дейтерия в Норвегии.. В то время это считалось важным для потенциального прогресса войны.
После окончания Второй мировой войны союзники обнаружили, что Германия не вкладывает столько серьезных усилий в программу, 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, отчасти из-за норвежской диверсионной операции с тяжелой водой. Однако даже если бы немцам удалось запустить реактор (как это сделали США с графитовым реактором в конце 1942 г.), им все равно оставалось бы по крайней мере несколько лет до разработки атомной бомбы с максимальным усилие. 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.
Корпус устройства "Колбаса" Айви Майк водородной бомбы, прикрепленной к контрольно-измерительным приборам и криогенному оборудованию. В бомбе высотой 20 футов находилась криогенная колба Дьюара, вмещавшая 160 кг жидкого дейтерия. 62-тонное устройство Ivy Mike, построенное в США и взорвавшееся 1 ноября 1952 г. была создана первая полностью удачная «водородная бомба » (термоядерная бомба). В данном контексте это была первая бомба, в которой большая часть высвобожденной энергии пришла на стадии ядерной реакции, которые следовали за первичной стадией ядерного деления атомной бомбы. Бомба Айви Майк представляла собой фабричное здание, а не оружие, которое можно было доставить. В его центре очень большая цилиндрическая изолированная вакуумная колба или криостат, содержащая криогенный жидкий дейтерий в объеме примерно 1000 литров (Массой 160 килограммов, если этот объем был заполнен полностью). Затем обычная атомная бомба («первичная») 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, для которых не требовался криогенный водород. Обнародованная информация свидетельствует о том, что все термоядерное оружие, созданное с тех пор, содержит химические соединения дейтерия и лития на вторичных стадиях. Материалом, содержащим дейтерий, в основном является дейтерид лития, при этом 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 термоядерную термоядерный синтез, выделяющий много энергии, гелий-4 и даже больше свободных нейтронов.
В августе 2018 года ученые объявили о преобразовании 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 много жидкого металлического водорода, который может быть ответственным за наблюдаемые мощные магнитные поля.
Формула: D 2 или . 1H. 2
Данные примерно при 18 К для D 2(тройной точки ):
An антидейтрон - это антивещество аналог ядра дейтерия, состоящий из антипротона и антинейтрона. Антидейтрон был впервые произведен в 1965 году на протонном синхротроне в ЦЕРН и 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.
 | Найдите дейтерий в Викисловаре, бесплатном словаре. |
.
| Зажигалка:. водород-1 | Дейтерий - это. изотоп водорода | Тяжелее:. водород-3 |
| Продукт распада из:. — | Цепочка распада. дейтерия | Распадается в:. Стабильный |
