Izotopy wodoru

Budowa protu, deuteru i trytu (p –proton, n – neutron, e – elektron).

Izotopy wodoruizotopy pierwiastka chemicznego wodoru (symbol H), z których trzy występują na Ziemi naturalnie. Ze względu na duże względne różnice w masach atomowych najlżejszych izotopów, różnią się one wyraźnie właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Z tej przyczyny wodór jest jedynym pierwiastkiem, którego izotopy (naturalne) mają swoje własne nazwy: prot (1H), deuter (2H) i tryt (3H). Prot i deuter są stabilnymi izotopami, tryt i masywniejsze izotopy wodoru są radioaktywne.

Wodór występuje naturalnie na Ziemi jako mieszanina trzech izotopów: 1H (>99,98%), 2H (ok. 0,015%), i 3H (ślady). Średnia masa atomowa tej mieszaniny wynosi 1,00794 u. Pozostałe izotopy wodoru (4H–7H) zostały wytworzone sztucznie[1][2].

Wodór-1 (prot)

1H stanowi ponad 99,98% wszystkich atomów wodoru. Jego jądro zawiera jedynie proton, a masa atomowa wynosi 1,00782503207(10) u[3]. Opisywane właściwości chemiczne wodoru i jego związków w praktyce odnoszą się zazwyczaj do tego izotopu. Nazwa prot jest obecnie rzadko używana.

Wodór-2 (deuter)

2H jest drugim stabilnym izotopem wodoru; zawiera proton i neutron w jądrze. Stanowi 0,0026–0,0184% wodoru występującego na Ziemi. Deuter nie jest radioaktywny ani toksyczny. Woda zawierająca atomy deuteru zamiast protu to woda ciężka.

Wodór-3 (tryt)

3H znany jako tryt zawiera w jądrze proton i dwa neutrony. Jest radioaktywny, rozpada się w hel-3 poprzez rozpad beta minus z okresem połowicznego rozpadu 12,32 lat[4]. Niewielkie ilości trytu występują na Ziemi z powodu oddziaływania promieniowania kosmicznego z gazami atmosferycznymi; tryt jest także produktem reakcji nuklearnych.

Wodór-4

4H jest wysoko niestabilnym izotopem wodoru. Jądro składa się z protonu i trzech neutronów. Został sztucznie wytworzony w laboratorium w wyniku bombardowania trytu rozpędzonymi do dużej prędkości jądrami deuteru[5]. Obecność wodoru-4 została stwierdzona przez wykrycie emitowanych protonów. Jego masa atomowa wynosi 4,02781±0,00011 u[3]. Ulega rozpadowi poprzez emisję neutronu i ma okres połowicznego rozpadu (1,39±0,10)×10−22 sekundy[6].

Wodór-5

5H jest kolejnym wysoko niestabilnym izotopem wodoru. Jądro składa się z protonu i czterech neutronów. Został uzyskany razem z wodorem-4 podczas bombardowania trytu rozpędzonymi jądrami trytu[5][7]. Ulega rozpadowi poprzez podwójną emisję neutronu, a okres jego połowicznego rozpadu co najmniej 9,1×10−22 sekundy[6].

Wodór-6

6H ulega potrójnej emisji neutronów, okres połowicznego rozpadu 3×10−22 sekundy. Składa się z protonu i pięciu neutronów.

Wodór-7

7H składa się z protonu i sześciu neutronów. Został otrzymany po raz pierwszy w 2003 roku przez grupę rosyjskich, japońskich i francuskich fizyków w wyniku bombardowania tarczy z zestalonego wodoru wysokoenergetycznymi atomami 8He[2][8].


Zestawienie podstawowych właściwości jądrowych izotopów wodoru[i]
symbol
nuklidu
Z (p)N (n)masa
izotopu (u)[3]
czas półtrwania[6]tryb
rozpadu[9]
izotopy
potomne[ii][9]
spin jądrowy[6]typowy udział
izotopu w wodzie
(ułamek molowy)
zakres naturalnego
zróżnicowania
(ułamek molowy)
1H101,00782503207(10)stabilny[iii]½+0,999885(70)0,999816–0,999974
2H112,01410177785(36)stabilny1+0,000115(70)0,000026–0,000184
3H123,0160492777(25)12,32(2) aβ3He½+ślady[iv]
4H134,02781(11)1,39(10)×10−22 s
[4,6(9) MeV]
n3H2
5H145,03531(11)>9,1×10−22 s (?)n4H+)
6H156,04494(28)2,90(70)×10−22 s
[1,6(4) MeV]
3n3H2[v]
4n2H
7H167,05275(108)[v]2,3(6)×10−23 s[v]
[20(5) MeV][v]
½+[v]
Uwagi
  1. W nawiasach podano niepewność pomiaru.
  2. Izotopy stabilne pogrubione.
  3. >6,6×1033 lat. Zob. rozpad protonu.
  4. Z oddziaływania promieniowania kosmicznego.
  5. a b c d e Oparte przynajmniej częściowo na przewidywaniach.

Przypisy

  1. Y.B. Gurov, D.V. Aleshkin, M.N. Berh, S.V. Lapushkin i inni. Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei. „Physics of Atomic Nuclei”. 68 (3), s. 491–497, 2004. 
  2. a b A.A. Korsheninnikov, E. Yu. Nikolskii, E.A. Kuzmin, A. Ozawa i inni. Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He. „Physical Review Letters”. 90, s. 082501, 2003. DOI: 10.1103/PhysRevLett.90.082501. 
  3. a b c The 2003 Atomic Mass Evaluation. Atomic Mass Data Center. [dostęp 2008-11-15].
  4. Gary L. Miessler, Donald Arthur Tarr: Inorganic Chemistry. Wyd. 3. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, 2004. ISBN 978-0-13-035471-6.
  5. a b G.M. Ter-Akopian, Yu. Ts. Oganessian, D.D. Bogdanov, A.S. Fomichev i inni. Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam. „AIP Conference Proceedings”. 610, s. 920–924, 2002. DOI: 10.1063/1.1470062. 
  6. a b c d G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A.H. Wapstra. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. „Nuclear Physics A”. 729, s. 3–128, 2003. DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  7. A.A. Korsheninnikov, M.S. Golovkov, I. Tanihata, A.M. Rodin i inni. Superheavy Hydrogen 5H. „Physical Review Letters”, s. 92501, 2001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.87.092501. 
  8. Belle Dumé: Hydrogen-7 makes its debut (ang.). Institute of Physics, 2003-03-07. [dostęp 2012-02-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2010-01-16)].
  9. a b Universal Nuclide Chart. Nucleonica.

Bibliografia

Media użyte na tej stronie

Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schematic.svg
Autor: , Licencja: CC-BY-SA-3.0
The three isotopes of hydrogen.