Deuter - Deuterium

Deuteru, wodór-2,  2 H
Wodór-2.svg
Izotop deuteru wyróżniony na obciętej tablicy nuklidów dla liczb atomowych od 1 do 29. Liczba neutronów zaczyna się od zera i rośnie w dół. Liczba protonów zaczyna się od jednego i rośnie w prawo. Stabilne izotopy w kolorze niebieskim.
Ogólny
Symbol 2 godz
Nazwy deuter, H-2, wodór-2, D
Protony 1
Neutrony 1
Dane nuklidów
Naturalna obfitość 0,0156% (Ziemia)
Masa izotopowa +2,01410177811 u
Kręcić się 1 +
Nadmiar energii 13135.720 ± 0,001 keV
Energia wiązania 2224,52± 0,20 keV
Izotopy wodoru
Pełna tabela nuklidów

Deuter (lub wodór-2 , symbol2
h
lub
D
Znany również jako ciężkich wodorem ) jest jedną z dwóch stabilnych izotopów w wodór (a druga jest Protium lub wodór-1). Jądro z deuteru atomu , zwany deuteronu zawiera jeden proton i jednego neutronu , podczas gdy o wiele bardziej powszechne Protium ma neutronów w jądrze. Deuter ma naturalną obfitość w oceanach Ziemi około jednego atomu w6420 wodoru. Tak więc deuter stanowi około 0,0156% (0,0312% masy) całego naturalnie występującego wodoru w oceanach, podczas gdy prot stanowi ponad 99,98%. Obfitość deuteru zmienia się nieznacznie z jednego rodzaju wody naturalnej na inny (patrz Wiedeńska Norma Średnia Woda Oceaniczna ).

Nazwa deuter wywodzi się z greckiego deuteros , co oznacza „druga”, oznaczającego dwie cząstki tworzące jądro. Deuter został odkryty i nazwany w 1931 roku przez Harolda Ureya . Kiedy w 1932 r. odkryto neutron, ujawniło to jądrową strukturę deuteru, a Urey otrzymał w 1934 r. Nagrodę Nobla „za odkrycie ciężkiego wodoru”. Wkrótce po odkryciu deuteru Urey i inni wyprodukowali próbki „ ciężkiej wody ”, w której zawartość deuteru była silnie skoncentrowana.

Deuter jest niszczony we wnętrzach gwiazd szybciej niż jest produkowany. Uważa się, że inne naturalne procesy wytwarzają tylko nieznaczną ilość deuteru. Prawie cały deuter znaleziony w przyrodzie został wyprodukowany w Wielkim Wybuchu 13,8 miliarda lat temu, ponieważ od tego czasu ma swój początek podstawowy lub pierwotny stosunek wodoru-1 do deuteru (około 26 atomów deuteru na milion atomów wodoru). Jest to stosunek występujący w gazowych olbrzymach, takich jak Jowisz. Analiza stosunku deuteru do protu w kometach wykazała wyniki bardzo podobne do średniego stosunku w ziemskich oceanach (156 atomów deuteru na milion atomów wodoru). To potwierdza teorię, że znaczna część wód oceanicznych na Ziemi ma pochodzenie kometarne. Stosunek deuteru do protu w komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko , mierzony przez sondę kosmiczną Rosetta , jest około trzy razy większy niż w przypadku wody na Ziemi. Ta liczba jest najwyższa, jaka została zmierzona w komecie.

Stosunki deuteru do protium są zatem nadal aktywnym tematem badań zarówno w astronomii, jak i klimatologii.

Różnice w stosunku do zwykłego wodoru (protium)

Symbol chemiczny

Deuter jest często reprezentowany przez symbol chemiczny D. Ponieważ jest to izotop wodoru o numerze masowym 2, jest również reprezentowany przez2
h
. IUPAC dopuszcza zarówno D, jak i2
h
, Chociaż 2
h
jest preferowany. Wyraźny symbol chemiczny jest używany dla wygody ze względu na powszechne zastosowanie izotopu w różnych procesach naukowych. Również jego duża różnica mas z protem ( 1 H) (deuter ma masę2.014 102  U , w porównaniu do średniej wodoru masie atomowej od1.007 947  u , a masa protu1.007 825  u ) nadaje istotne różnice chemiczne ze związkami zawierającymi prot, podczas gdy stosunki wagowe izotopów w obrębie innych pierwiastków chemicznych są pod tym względem w dużej mierze nieistotne.

Spektroskopia

W mechanice kwantowej poziomy energetyczne elektronów w atomach zależą od zredukowanej masy układu elektronu i jądra. W przypadku atomu wodoru rolę masy zredukowanej widać najprościej w modelu atomu Bohra, gdzie masa zredukowana pojawia się w prostym obliczeniu stałej Rydberga i równania Rydberga, ale masa zredukowana pojawia się również w równaniu Schrödingera , oraz równanie Diraca do obliczania poziomów energii atomowej.

Zmniejszona masa układu w tych równaniach jest zbliżona do masy pojedynczego elektronu, ale różni się od niej o niewielką ilość, mniej więcej równą stosunkowi masy elektronu do jądra atomowego. W przypadku wodoru ilość ta wynosi około 1837/1836, czyli 1.000545, a dla deuteru jest jeszcze mniejsza: 3671/3670, czyli 1,0002725. Energie linii spektroskopowych dla deuteru i lekkiego wodoru ( wodór-1 ) różnią się zatem stosunkiem tych dwóch liczb, który wynosi 1,000272. Długości fal wszystkich linii spektroskopowych deuteru są krótsze niż odpowiadające im linie lekkiego wodoru, o współczynnik 1000272. W obserwacjach astronomicznych odpowiada to przesunięciu niebieskiego Dopplera 0,000272-krotności prędkości światła, czyli 81,6 km/s.

Różnice są znacznie bardziej wyraźne w spektroskopii oscylacyjnej, takiej jak spektroskopia w podczerwieni i spektroskopia Ramana , oraz w widmach rotacyjnych, takich jak spektroskopia mikrofalowa, ponieważ zredukowana masa deuteru jest znacznie wyższa niż masa protu. W spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego deuter ma bardzo inną częstotliwość NMR (np. 61 MHz, gdy prot ma częstotliwość 400 MHz) i jest znacznie mniej czuły. Rozpuszczalniki deuterowane są zwykle stosowane w NMR protu, aby zapobiec nakładaniu się rozpuszczalnika na sygnał, chociaż możliwe jest również samo NMR deuteru .

Nukleosynteza Wielkiego Wybuchu

Uważa się, że deuter odegrał ważną rolę w ustalaniu liczby i proporcji pierwiastków, które powstały w Wielkim Wybuchu . Łącząc termodynamikę i zmiany spowodowane ekspansją kosmiczną, można obliczyć ułamek protonów i neutronów na podstawie temperatury w punkcie, w którym Wszechświat ochłodził się na tyle, by umożliwić powstanie jąder . To obliczenie wskazuje siedem protonów na każdy neutron na początku nukleogenezy , stosunek, który pozostałby stabilny nawet po zakończeniu nukleogenezy. Frakcja ta była początkowo na korzyść protonów, głównie dlatego, że mniejsza masa protonów sprzyjała ich wytwarzaniu. W miarę rozszerzania się Wszechświata ochładzał się. Swobodne neutrony i protony są mniej stabilne niż jądra helu , a protony i neutrony miały silny energetyczny powód, by wytworzyć hel-4 . Jednak tworzenie helu-4 wymaga pośredniego etapu tworzenia deuteru.

Przez większość kilku minut po Wielkim Wybuchu, podczas których mogła nastąpić nukleosynteza, temperatura była na tyle wysoka, że ​​średnia energia na cząsteczkę była większa niż energia wiązania słabo związanego deuteru; dlatego każdy utworzony deuter został natychmiast zniszczony. Ta sytuacja jest znana jako wąskie gardło deuteru . Wąskie gardło opóźniało formowanie się helu-4, aż Wszechświat stał się wystarczająco chłodny, aby utworzyć deuter (w temperaturze około 100 keV ). W tym momencie nastąpił nagły wybuch tworzenia się pierwiastków (pierwszy deuter, który natychmiast połączył się z helem). Jednak wkrótce potem, dwadzieścia minut po Wielkim Wybuchu, Wszechświat stał się zbyt chłodny, aby mogła nastąpić dalsza fuzja jądrowa i nukleosynteza. W tym momencie liczebność pierwiastków była prawie ustalona, ​​a jedyną zmianą były rozpady niektórych radioaktywnych produktów nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu (takich jak tryt ). Wąskie gardło deuteru w tworzeniu helu wraz z brakiem stabilnych sposobów łączenia się helu z wodorem lub z samym sobą (nie ma stabilnych jąder o liczbach masowych pięciu lub ośmiu) spowodowały, że znikoma ilość węgla, czy jakichkolwiek pierwiastków cięższy od węgla, powstały w Wielkim Wybuchu. Pierwiastki te wymagały zatem uformowania się w gwiazdach. Jednocześnie niepowodzenie wielu nukleogenezy podczas Wielkiego Wybuchu zapewniło, że w późniejszym Wszechświecie będzie mnóstwo wodoru, który będzie mógł tworzyć długowieczne gwiazdy, takie jak nasze Słońce.

Obfitość

Deuter występuje w śladowych ilościach naturalnie jako gaz deuterowy , napisany2
h
2 lub D 2 , ale większość naturalnie występujących we Wszechświecie atomów jest związana typowym1
h
atom, gaz zwany deuterkiem wodoru (HD lub1
h
2
h
).

Istnienie deuteru na Ziemi, gdzie indziej w Układzie Słonecznym (co potwierdzają sondy planetarne) oraz w widmach gwiazd , jest również ważnym punktem odniesienia w kosmologii . Promieniowanie gamma ze zwykłej fuzji jądrowej dysocjuje deuter na protony i neutrony i nie ma znanych naturalnych procesów poza nukleosyntezą Wielkiego Wybuchu, które mogłyby wytworzyć deuter w ilościach zbliżonych do obserwowanej naturalnej obfitości. Deuter powstaje w wyniku rzadkiego rozpadu klasterów i okazjonalnej absorpcji naturalnie występujących neutronów przez lekki wodór, ale są to trywialne źródła. Uważa się, że we wnętrzu Słońca i innych gwiazd jest mało deuteru, ponieważ w tych temperaturach reakcje syntezy jądrowej, które zużywają deuter, zachodzą znacznie szybciej niż reakcja proton-proton, która wytwarza deuter. Jednak deuter utrzymuje się w zewnętrznej atmosferze słonecznej w przybliżeniu w tym samym stężeniu, co w Jowiszu i prawdopodobnie nie zmieniło się to od powstania Układu Słonecznego. Naturalne bogactwo deuteru wydaje się być bardzo podobną frakcją wodoru, niezależnie od tego, gdzie znajduje się wodór, chyba że istnieją oczywiste procesy, które go koncentrują.

Istnienie deuteru w niskiej, ale stałej frakcji pierwotnej w całym wodorze jest kolejnym z argumentów przemawiających za teorią Wielkiego Wybuchu nad teorią Wszechświata stanu ustalonego . Obserwowane stosunki wodoru, helu i deuteru we Wszechświecie są trudne do wyjaśnienia, z wyjątkiem modelu Wielkiego Wybuchu. Szacuje się, że obfitość deuteru nie zmieniła się znacząco od czasu ich produkcji około 13,8 miliarda lat temu. Pomiary galaktycznego deuteru Drogi Mlecznej z analizy spektralnej w ultrafiolecie wykazują stosunek aż 23 atomów deuteru na milion atomów wodoru w niezakłóconych chmurach gazowych, co stanowi zaledwie 15% poniżej szacowanego przez WMAP stosunku pierwotnego około 27 atomów na milion z Wielkiego Huk. Zostało to zinterpretowane jako oznaczające, że mniej deuteru zostało zniszczone podczas formowania się gwiazd w naszej galaktyce, niż oczekiwano, lub być może deuter został uzupełniony przez duży napływ pierwotnego wodoru spoza galaktyki. W kosmosie kilkaset lat świetlnych od Słońca liczebność deuteru wynosi tylko 15 atomów na milion, ale na wartość tę przypuszczalnie wpływa różnicowa adsorpcja deuteru na ziarnach pyłu węglowego w przestrzeni międzygwiazdowej.

Obfitość deuteru w atmosferze Jowisza została bezpośrednio zmierzona przez sondę kosmiczną Galileo jako 26 atomów na milion atomów wodoru. Obserwacje ISO-SWS wskazują na 22 atomy na milion atomów wodoru w Jowiszu. i uważa się, że ta obfitość reprezentuje stosunek bliski pierwotnemu układowi słonecznemu. Jest to około 17% ziemskiego stosunku deuteru do wodoru wynoszącego 156 atomów deuteru na milion atomów wodoru.

Zmierzono, że ciała kometarne, takie jak kometa Hale-Bopp i kometa Halleya, zawierają stosunkowo więcej deuteru (około 200 atomów D na milion wodorów), proporcje, które są wzbogacone w stosunku do przypuszczalnego stosunku mgławicy protosolarnej, prawdopodobnie z powodu ogrzewania, i które są podobne do proporcji występujących w wodzie morskiej Ziemi. Niedawne pomiary ilości deuteru wynoszące 161 atomów D na milion wodoru w komecie 103P/Hartley (były obiekt pasa Kuipera ), stosunek prawie dokładnie taki, jak w ziemskich oceanach, podkreśla teorię, że wody powierzchniowe Ziemi mogą w dużej mierze pochodzić z komet. Ostatnio stosunek deuteru do protu (D-H) 67P/Czuriumow-Gierasimienko mierzony przez Rosettę jest około trzy razy większy niż w przypadku wody na Ziemi, co jest wartością wysoką. Spowodowało to ponowne zainteresowanie sugestiami, że woda na Ziemi może częściowo pochodzić z planetoid.

Zaobserwowano również, że deuter jest skoncentrowany na średniej obfitości Słońca na innych planetach ziemskich, w szczególności na Marsie i Wenus.

Produkcja

Deuter jest produkowany do celów przemysłowych, naukowych i wojskowych, zaczynając od zwykłej wody – której niewielka część to naturalnie występująca ciężka woda – a następnie oddzielając ciężką wodę w procesie siarczkowym Girdlera , destylacji lub innymi metodami.

Teoretycznie deuter na ciężką wodę mógłby być wytwarzany w reaktorze jądrowym, ale oddzielanie od zwykłej wody jest najtańszym procesem produkcji masowej.

Wiodącym światowym dostawcą deuteru była firma Atomic Energy of Canada Limited do 1997 r., kiedy zamknięto ostatnią elektrownię ciężką wodę. Kanada używa ciężkiej wody jako moderatora neutronów do działania projektu reaktora CANDU .

Innym ważnym producentem ciężkiej wody są Indie. Wszystkie elektrownie atomowe z wyjątkiem jednej w Indiach to ciśnieniowe elektrownie ciężkiej wody, które wykorzystują naturalny (tj. niewzbogacony) uran. Indie posiadają osiem elektrowni ciężkiej wody, z których siedem działa. Sześć instalacji, z których pięć pracuje, opiera się na wymianie wodór w gazie amoniakalnym. Pozostałe dwa zakłady wydobywają deuter z naturalnej wody w procesie wykorzystującym gazowy siarkowodór pod wysokim ciśnieniem.

Podczas gdy Indie są samowystarczalne pod względem ciężkiej wody na własny użytek, Indie obecnie również eksportują ciężką wodę klasy reaktorowej.

Nieruchomości

Właściwości fizyczne

W porównaniu z wodorem w swoim naturalnym składzie na Ziemi, czysty deuter (D 2 ) ma wyższą temperaturę topnienia (18,72 K vs 13,99 K), wyższą temperaturę wrzenia (23,64 K vs 20,27 K), wyższą temperaturę krytyczną (38,3 K vs 32,94) K) i wyższe ciśnienie krytyczne (1,6496 MPa wobec 1,2858 MPa).

Fizyczne właściwości związków deuteru mogą wykazywać znaczące kinetyczne efekty izotopowe i inne różnice we właściwościach fizycznych i chemicznych w porównaniu z analogami protu. D 2 O , na przykład, jest bardziej lepka niż H 2 O . Chemicznie istnieją różnice w energii i długości wiązania dla związków ciężkich izotopów wodoru w porównaniu z protium, które są większe niż różnice izotopowe w jakimkolwiek innym pierwiastku. Wiązania z udziałem deuteru i trytu są nieco silniejsze niż odpowiadające im wiązania w procie, a te różnice wystarczą, aby spowodować znaczące zmiany w reakcjach biologicznych. Firmy farmaceutyczne są zainteresowane tym, że deuter jest trudniejszy do usunięcia z węgla niż prot.

Deuter może zastąpić prot w cząsteczkach wody, tworząc ciężką wodę (D 2 O), która jest o około 10,6% gęstsza niż normalna woda (tak, że lód z niej zrobiony tonie w zwykłej wodzie). Ciężka woda jest nieznacznie toksyczna u zwierząt eukariotycznych , z 25% substytucją wody w organizmie powodującą problemy z podziałem komórek i bezpłodnością, a 50% substytucją powodującą śmierć przez zespół cytotoksyczny (niewydolność szpiku kostnego i niewydolność wyściółki przewodu pokarmowego). Jednak organizmy prokariotyczne mogą przetrwać i rosnąć w czystej ciężkiej wodzie, chociaż rozwijają się powoli. Pomimo tej toksyczności, spożywanie ciężkiej wody w normalnych warunkach nie stanowi zagrożenia dla zdrowia ludzi. Szacuje się, że osoba o wadze 70 kg (154 funtów) może wypić 4,8 litra (1,3 galonów amerykańskich) ciężkiej wody bez poważnych konsekwencji. Małe dawki ciężkiej wody (kilka gramów u ludzi, zawierające ilość deuteru porównywalną do tej normalnie obecnej w organizmie) są rutynowo stosowane jako nieszkodliwe wskaźniki metabolizmu u ludzi i zwierząt.

Właściwości kwantowe

Deuteron ma spin +1 („ stan trypletowy ”), a zatem jest bozonem . NMR częstotliwości deuteru jest znacznie różni się od wspólnego światła wodoru. Spektroskopia w podczerwieni z łatwością różnicuje również wiele związków deuterowanych, ze względu na dużą różnicę w częstotliwości absorpcji IR obserwowaną w drganiach wiązania chemicznego zawierającego deuter w porównaniu z lekkim wodorem. Dwa stabilne izotopy wodoru można również rozróżnić za pomocą spektrometrii masowej .

Nukleon deuteronu tripletowego jest ledwo związany przy E B =2,23 MeV i żaden z wyższych stanów energetycznych nie jest związany. Deuteron singletowy jest stanem wirtualnym, z ujemną energią wiązania~60 keV . Nie ma takiej stabilnej cząstki, ale ta wirtualna cząstka przejściowo istnieje podczas nieelastycznego rozpraszania neutronów i protonów, co odpowiada za niezwykle duży przekrój rozpraszania neutronów przez proton.

Właściwości jądrowe (deuteron)

Masa i promień Deuterona

Jądro deuteru nazywa się deuteronem . Ma masę2.013 553 212 745 (40) u (nieco ponad1,875 GeV ).

Promień opłata od deuteronu jest2.127 99 (74)  fm .

Podobnie jak w przypadku promienia protonu , pomiary z użyciem deuteru mionowego dają mniejszy wynik:2.125 62 (78)  fm .

Wirowanie i energia

Deuter jest jednym z zaledwie pięciu stabilnych nuklidów o nieparzystej liczbie protonów i nieparzystej liczbie neutronów. (2
h
, 6
Li
, 10
b
, 14
n
, 180m
Ta
; także długożyciowe nuklidy promieniotwórcze40
K
, 50
V
, 138
La
, 176
Lu
występują naturalnie.) Większość nieparzystych-nieparzystych jąder jest niestabilnych w odniesieniu do rozpadu beta , ponieważ produkty rozpadu są parzysto-parzyste , a zatem są silniej związane ze względu na efekty parowania jądrowego . Jednak deuter czerpie korzyści z połączenia protonu i neutronu ze stanem spinu-1, który zapewnia silniejsze przyciąganie jądrowe; odpowiedni stan spinu-1 nie istnieje w układzie dwóch neutronów lub dwóch protonów, ze względu na zasadę wykluczania Pauliego, która wymagałaby, aby jedna lub druga identyczna cząstka o tym samym spinie miała inną liczbę kwantową, taką jak orbitalna moment pędu . Jednak orbitalny moment pędu każdej cząstki daje niższą energię wiązania dla układu, głównie ze względu na rosnącą odległość cząstek w stromym gradiencie siły jądrowej. W obu przypadkach powoduje to diproton i dineutron jądro być niestabilny .

Proton i neutron tworzące deuter mogą zostać zdysocjowane poprzez oddziaływania prądu obojętnego z neutrinami . Przekrój tej interakcji jest stosunkowo duża, a deuteru z powodzeniem stosowany jako cel neutrinowym w Sudbury Neutrino Monitorowania eksperymentu.

Deuter dwuatomowy (D 2 ) ma izomery spinu orto i para jądrowego, takie jak wodór dwuatomowy, ale z różnicami w liczbie i populacji stanów spinowych i poziomach rotacji , które występują, ponieważ deuteron jest bozonem o spinie jądrowym równym jeden.

Stan singletowy izospinu deuteronu

Ze względu na podobieństwo właściwości masowych i jądrowych między protonem i neutronem, są one czasami uważane za dwa symetryczne typy tego samego obiektu, nukleonu . Chociaż tylko proton ma ładunek elektryczny, jest to często pomijalne ze względu na słabość oddziaływania elektromagnetycznego w stosunku do silnego oddziaływania jądrowego . Symetria łącząca proton i neutron jest znana jako izospina i oznaczana jako I (lub czasami T ).

Isospin jest symetrią SU(2) , podobnie jak zwykły spin , więc jest do niej całkowicie analogiczna. Protonu i neutronów, z których każdy ma izo Podziału 1 / 2 , tworzą izospinowych dublet (analogicznie do dubletu wirowania ), przy czym „Dół” (↓) jest neutron i „Góra” (↑) istota proton. Para nukleonów może znajdować się albo w antysymetrycznym stanie izospinowym zwanym singletem , albo w stanie symetrycznym zwanym tripletem . Jeśli chodzi o stan „w dół” i stan „w górę”, singlet jest

, który można również zapisać :

Jest to jądro z jednym protonem i jednym neutronem, czyli jądro deuteru. Trójka jest

a więc składa się z trzech typów jąder, które mają być symetryczne: jądro deuteru (właściwie jego stan bardzo wzbudzony ), jądro z dwoma protonami i jądro z dwoma neutronami. Te stany nie są stabilne.

Przybliżona funkcja falowa deuteronu

Funkcja falowa deuteronu musi być antysymetryczna, jeśli używana jest reprezentacja izospinowa (ponieważ proton i neutron nie są identycznymi cząstkami, funkcja falowa nie musi być ogólnie antysymetryczna). Oprócz izospiny te dwa nukleony mają również spin i rozkład przestrzenny swojej funkcji falowej. Ten ostatni jest symetryczny, jeśli deuteron jest symetryczny pod parzystością (tj. ma parzystość „parzystą” lub „dodatnią”), a antysymetryczny, jeśli deuteron jest antysymetryczny pod parzystością (tj. ma parzystość „nieparzystą” lub „ujemną”). Parzystość jest w pełni określona przez całkowity orbitalny moment pędu dwóch nukleonów: jeśli jest parzysty, to parzysty jest parzysty (dodatni), a jeśli nieparzysty, to nieparzysty (ujemny).

Deuteron, będąc singletem izospinowym, jest antysymetryczny przy wymianie nukleonów z powodu izospiny, a zatem musi być symetryczny przy podwójnej wymianie ich spinu i położenia. Dlatego może znajdować się w jednym z dwóch następujących stanów:

  • Symetryczny spin i symetryczny pod parzystością. W tym przypadku wymiana dwóch nukleonów pomnoży funkcję falową deuteru przez (-1) z wymiany izospinowej, (+1) z wymiany spinowej i (+1) z parzystości (wymiana lokalizacji), w sumie (-1 ) w razie potrzeby dla antysymetrii.
  • Antysymetryczny spin i antysymetryczny underparity. W tym przypadku wymiana dwóch nukleonów pomnoży funkcję falową deuteru przez (-1) z wymiany izospinowej, (-1) z wymiany spinowej i (-1) z parzystości (wymiana lokalizacji), ponownie w sumie (- 1) w razie potrzeby do antysymetrii.

W pierwszym przypadku deuteron jest trypletem spinowym, tak że jego całkowity spin s wynosi 1. Ma również parzystość, a zatem nawet orbitalny moment pędu l  ; Im mniejszy jest jego orbitalny moment pędu, tym mniejsza jest jego energia. Dlatego najniższy możliwy stan energetyczny ma s = 1 , l = 0 .

W drugim przypadku deuteron jest singletem spinowym, tak że jego całkowity spin s wynosi 0. Ma również nieparzystą parzystość, a zatem nieparzysty orbitalny moment pędu l . Dlatego najniższy możliwy stan energetyczny ma s = 0 , l = 1 .

Ponieważ s = 1 daje silniejsze przyciąganie jądrowe, stan podstawowy deuteru jest w stanie s =1 , l = 0 .

Te same rozważania prowadzą do możliwych stanów trypletu izospinowego o s = 0 , l = parzyste lub s = 1 , l = nieparzyste . Zatem stan o najniższej energii ma s = 1 , l = 1 , wyższy niż stan singletu izospinowego.

Podana analiza jest w rzeczywistości jedynie przybliżona, zarówno dlatego, że izospin nie jest dokładną symetrią, jak i co ważniejsze, ponieważ silna interakcja jądrowa między dwoma nukleonami jest związana z momentem pędu w interakcji spin-orbita, która miesza różne stany s i l . Oznacza to, że y i L nie są stałe w czasie (nie dojazdy z Hamiltonianu ) i po pewnym czasie stanie, takie jak y = 1 , L = 0 może być stan s = 1 , l = 2 . Parzystość jest nadal stała w czasie, więc nie mieszają się one z nieparzystymi l stanami (takimi jak s = 0 , l = 1 ). Dlatego stan kwantowy deuteru jest superpozycją (kombinacją liniową) stanów s = 1 , l = 0 i s = 1 , l = 2 , mimo że pierwszy składnik jest znacznie większy. Ponieważ całkowity moment pędu j jest również dobrą liczbą kwantową (jest stałą w czasie), obie składowe muszą mieć to samo j , a zatem j = 1 . To jest całkowity spin jądra deuteru.

Podsumowując, jądro deuteru jest antysymetryczne pod względem izospinu i ma parzystość spinu 1, a nawet (+1). Względny moment pędu jego nukleonów l nie jest dobrze zdefiniowany, a deuteron jest superpozycją przeważnie l = 0 z pewnym l = 2 .

Multipole magnetyczne i elektryczne

Aby wyznaczyć teoretycznie dipolowy moment magnetyczny deuteru μ, używa się wzoru na jądrowy moment magnetyczny

z

g (l) i g (s)g-czynnikami nukleonów.

Ponieważ proton i neutron mają różne wartości dla g (l) i g (s) , należy oddzielić ich wkłady. Każdy otrzymuje połowę orbitalnego momentu pędu i spinu deuteru . Jeden dociera do

gdzie indeksy p i n oznaczają proton i neutron, a g (l) n = 0 .

Używając tych samych tożsamości jak tutaj i używając wartości g (l) p = 1 , otrzymujemy następujący wynik w jednostkach magnetonu jądrowego μ N

Dla stanu s = 1 , l = 0 ( j = 1 ) otrzymujemy

Dla stanu s = 1 , l = 2 ( j = 1 ) otrzymujemy

Zmierzona wartość magnetycznego momentu dipolowego deuteru , wynosi0,857 | j N , który jest 97,5% ceny0,879 μ N wartość otrzymana poprzez dodanie momenty protonu i neutronu. Sugeruje to, że stan deuteru jest rzeczywiście w dobrym przybliżeniu stanem s = 1 , l = 0 , który występuje, gdy oba nukleony wirują w tym samym kierunku, ale ich momenty magnetyczne są odejmowane z powodu ujemnego momentu neutronu.

Jednak nieco mniejsza liczba eksperymentalna niż wynikająca z prostego dodania momentów protonu i (ujemnych) neutronów pokazuje, że deuter jest w rzeczywistości kombinacją liniową głównie stanu s = 1 , l = 0 z niewielką domieszką s = 1 , l = 2 stan.

Dwójnik elektryczny jest zero , jak zwykle .

Zmierzony kwadrupol elektryczny deuteru wynosi0,2859  e · fm 2 . Chociaż rząd wielkości jest rozsądny, ponieważ promień deuteru jest rzędu 1 femtometra (patrz poniżej), a jego ładunek elektryczny to e, powyższy model nie wystarcza do jego obliczeń. Dokładniej, kwadrupolowy elektryczny nie uzyskać wkład z l = 0, stan (która jest dominująca), a więc uzyskać wkład okres mieszania L = 0 i l = 2 stany, ponieważ elektryczny kwadrupolowy operator nie nie dojeżdżać z momentem pędu .

Ten ostatni wkład jest dominujący w przypadku braku czystego wkładu l = 0 , ale nie można go obliczyć bez znajomości dokładnej formy przestrzennej funkcji falowej nukleonów wewnątrz deuteru.

Z podobnych powodów za pomocą powyższego modelu nie można obliczyć wyższych momentów multipolowych magnetycznych i elektrycznych .

Aplikacje

Deuter ma wiele zastosowań komercyjnych i naukowych. Obejmują one:

Reaktor nuklearny

Zjonizowany deuter w reaktorze fusorowym wydzielający charakterystyczną różowo-czerwoną poświatę

Deuteru stosuje się ciężką wodę reaktorów , zwykle ciekłej D 2 O, spowolnienia neutronów bez wysokiej absorpcji neutronów zwykłego wodoru. Jest to powszechne zastosowanie komercyjne w przypadku większych ilości deuteru.

W reaktorach badawczych , płyn D 2 stosuje się zimne źródła do umiarkowanego neutronów o bardzo niskiej energii, a długości fal odpowiednich do rozpraszania eksperymentów .

Eksperymentalnie, deuter jest najpowszechniejszym nuklidem stosowanym w projektach reaktorów syntezy jądrowej , zwłaszcza w połączeniu z trytem , ze względu na dużą szybkość reakcji (lub przekrój jądrowy ) i wysoką wydajność energetyczną reakcji D-T. Istnieje jeszcze wyższa wydajność D–3
On
reakcja syntezy, chociaż próg rentowności D–3
On
jest wyższy niż w większości innych reakcji fuzji; wraz z niedoborem3
On
, to czyni go nieprawdopodobnym jako praktyczne źródło zasilania, dopóki przynajmniej reakcje fuzji D-T i D-D nie zostaną przeprowadzone na skalę komercyjną. Komercyjna fuzja jądrowa nie jest jeszcze zaawansowaną technologią.

Spektroskopia NMR

Deuter jest najczęściej stosowany w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego wodoru ( protonowy NMR ) w następujący sposób. NMR zwykle wymaga analizowania związków będących przedmiotem zainteresowania jako rozpuszczonych w roztworze. Ze względu na właściwości spinu jądrowego deuteru, które różnią się od lekkiego wodoru występującego zwykle w cząsteczkach organicznych, widma NMR wodoru/protu są bardzo zróżnicowane od widma deuteru, a w praktyce deuter nie jest „widziany” przez instrument NMR dostrojony do lekkiego wodoru . Deuterowane (w tym ciężkich wody, ale również związki jak deuterowanym chloroformie, CDCI 3 ), w związku z tym są rutynowo stosowane w spektroskopii NMR w celu umożliwienia tylko widma światła wodoru konkretnego związku mierzone bez zakłóceń rozpuszczalnik-signal.

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego może być również wykorzystana do uzyskania informacji o środowisku deuteronu w próbkach znakowanych izotopowo ( Deuterium NMR ). Na przykład elastyczność ogona, który jest długim łańcuchem węglowodorowym, w znakowanych deuterem cząsteczkach lipidów można określić ilościowo za pomocą NMR deuteru w stanie stałym.

Widma deuteru NMR są szczególnie przydatne w stanie stałym ze względu na jego stosunkowo mały moment kwadrupolowy w porównaniu z większymi jądrami kwadrupolowymi, takimi jak na przykład chlor-35.

Rysunek kalkowy

W chemii , biochemii i naukach o środowisku deuter jest używany jako nieradioaktywny, stabilny znacznik izotopowy , na przykład w podwójnie znakowanym teście wody . W reakcjach chemicznych i szlakach metabolicznych deuter zachowuje się nieco podobnie do zwykłego wodoru (z kilkoma różnicami chemicznymi, jak wspomniano). Najłatwiej odróżnić go od zwykłego wodoru po jego masie, stosując spektrometrię masową lub spektrometrię w podczerwieni . Deuter można wykryć za pomocą femtosekundowej spektroskopii w podczerwieni , ponieważ różnica mas drastycznie wpływa na częstotliwość drgań molekularnych; Drgania wiązania deuter-węgiel znajdują się w obszarach widmowych wolnych od innych sygnałów.

Pomiary niewielkich zmian w naturalnej liczebności deuteru, wraz z pomiarami stabilnych izotopów ciężkiego tlenu 17 O i 18 O, mają duże znaczenie w hydrologii , aby śledzić pochodzenie geograficzne wód Ziemi. Ciężkie izotopy wodoru i tlenu w wodach opadowych (tzw. woda meteorytowa ) są wzbogacane w funkcji temperatury otoczenia regionu, w którym występują opady (a zatem wzbogacenie związane jest ze średnią szerokością geograficzną). Względne wzbogacenie ciężkich izotopów w wodzie deszczowej (w odniesieniu do średniej wody oceanicznej), wykreślone w funkcji temperatury spada w przewidywalny sposób wzdłuż linii zwanej globalną meteoryczną linią wody (GMWL). Wykres ten umożliwia identyfikację próbek wody pochodzącej z opadów atmosferycznych wraz z ogólną informacją o klimacie, w którym powstała. Procesy parowania i inne procesy zachodzące w zbiornikach wodnych, a także procesy wód gruntowych, również w różny sposób zmieniają stosunki ciężkich izotopów wodoru i tlenu w wodach słodkich i słonych w charakterystyczny i często wyróżniający się regionalnie sposób. Stosunek stężenia 2 H do 1 H jest zwykle wskazywany jako delta jako δ 2 H, a wzory geograficzne tych wartości są wykreślane na mapach określanych jako izoscapes. Stabilne izotopy są włączane do roślin i zwierząt, a analiza proporcji u migrującego ptaka lub owada może pomóc zasugerować przybliżony przewodnik po ich pochodzeniu.

Właściwości kontrastu

Techniki rozpraszania neutronów szczególnie czerpią korzyści z dostępności próbek deuterowanych: przekroje poprzeczne H i D są bardzo wyraźne i różnią się znakiem, co pozwala na zmienność kontrastu w takich eksperymentach. Co więcej, uciążliwym problemem zwykłego wodoru jest jego duży niespójny przekrój poprzeczny neutronów, który jest zerowy dla D. Zastąpienie atomami wodoru atomami deuteru zmniejsza w ten sposób szum rozpraszania.

Wodór jest ważnym i głównym składnikiem wszystkich materiałów chemii organicznej i nauk przyrodniczych, ale ledwo oddziałuje z promieniami rentgenowskimi. Ponieważ wodór (i deuter) silnie oddziałują z neutronami, techniki rozpraszania neutronów wraz z nowoczesnym urządzeniem deuteracyjnym wypełniają niszę w wielu badaniach makrocząsteczek w biologii i wielu innych dziedzinach.

Bronie nuklearne

Zostało to omówione poniżej. Warto zauważyć, że chociaż większość gwiazd, w tym Słońce, wytwarza energię przez większość swojego życia poprzez fuzję wodoru w cięższe pierwiastki, taka fuzja lekkiego wodoru (protium) nigdy nie była skuteczna w warunkach osiągalnych na Ziemi. Tak więc każda sztuczna fuzja, w tym fuzja wodoru, która występuje w tak zwanych bombach wodorowych, wymaga ciężkiego wodoru (trytu lub deuteru lub obu), aby proces mógł działać.

Leki

Lek deuterowany to drobnocząsteczkowy produkt leczniczy, w którym jeden lub więcej atomów wodoru zawartych w cząsteczce leku zastąpiono deuterem. Ze względu na kinetyczne działanie izotopowe , leki zawierające deuter mogą mieć znacznie wolniejszy metabolizm , a tym samym dłuższy okres półtrwania . W 2017 roku deutetrabenazyna stała się pierwszym lekiem deuterowanym, który uzyskał aprobatę FDA.

Wzmocnione niezbędne składniki odżywcze

Deuter można stosować do wzmacniania specyficznych, podatnych na utlenianie wiązań CH w niezbędnych lub warunkowo niezbędnych składnikach odżywczych , takich jak niektóre aminokwasy lub wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFA), czyniąc je bardziej odpornymi na uszkodzenia oksydacyjne. Deuterowane wielonienasycone kwasy tłuszczowe , takie jak kwas linolowy , spowalniają reakcję łańcuchową peroksydacji lipidów, która uszkadza żywe komórki. Deuterowany ester etylowy kwasu linolowego ( RT001 ), opracowany przez firmę Retrotope, znajduje się w fazie współczucia w próbie użycia w dziecięcej dystrofii neuroaksonalnej i pomyślnie zakończył fazę I/II badania w ataksji Friedreicha .

Termostabilizacja

Żywe szczepionki, takie jak szczepionki doustnej polio , mogą być stabilizowane przez deuter, samodzielnie lub w połączeniu z innymi stabilizatorami, takimi jak MgCl 2 .

Spowolnienie wahań dobowych

Wykazano, że deuter, podawany szczurom, chomikom i bruzdnicom z Gonyaulax, wydłuża okres oscylacji zegara dobowego . U szczurów, przewlekłe wlotowy 25% D 2 O zakłóca rytmiki okołodobowej za pomocą wydłużenia okresu okołodobowego nadskrzyżowaniowe jądro -zależną rytmy w podwzgórza mózgu. Eksperymenty na chomikach również potwierdzają teorię, że deuter działa bezpośrednio na jądro nadskrzyżowaniowe, wydłużając okres okołodobowy.

Historia

Podejrzenie istnienia lżejszych izotopów pierwiastków

Istnienie niepromieniotwórcze izotopy lżejszych elementów nie podejrzewa się w badaniach neon już w 1913 roku i sprawdzone za pomocą spektrometrii masowej elementów świetlnych w 1920 roku panujących teoretycznie wówczas, że izotopy element różni się istnieniem dodatkowych protonów w jądrze towarzyszy równa liczba elektronów jądrowych . W tej teorii jądro deuteru o masie dwa i ładunku jeden zawierałoby dwa protony i jeden elektron jądrowy. Spodziewano się jednak, że pierwiastek wodór o zmierzonej średniej masie atomowej bardzo zbliżonym do1 u , znana masa protonu, zawsze ma jądro złożone z pojedynczego protonu (znanej cząstki) i nie może zawierać drugiego protonu. Dlatego uważano, że wodór nie zawiera ciężkich izotopów.

Wykryto deuter

Harold Urey , odkrywca deuteru

Po raz pierwszy został wykryty spektroskopowo pod koniec 1931 roku przez Harolda Ureya , chemika z Columbia University . Współpracownik Urey, w Ferdinand Brickwedde , destyluje pięć litrów na kriogenicznie wytwarzanego ciekłego wodoru doml płynu, przy użyciu laboratorium fizyki niskotemperaturowej, które zostało niedawno utworzone w National Bureau of Standards w Waszyngtonie (obecnie National Institute of Standards and Technology ). Technika ta była wcześniej wykorzystywana do izolowania ciężkich izotopów neonu. Technika odparowywania kriogenicznego koncentrowała frakcję izotopu o masie 2 wodoru w stopniu, który czynił jego identyfikacje spektroskopową jednoznaczną.

Nazewnictwo izotopu i Nagroda Nobla

Urey stworzył nazwy protium , deuter i tryt w artykule opublikowanym w 1934 roku. Nazwa ta jest częściowo oparta na radach GN Lewisa, który zaproponował nazwę „deutium”. Nazwa pochodzi od greckiego deuteros („drugi”), a jądro należy nazywać „deuteronem” lub „deutonem”. Izotopom i nowym pierwiastkom tradycyjnie nadano nazwę, którą zdecydował ich odkrywca. Niektórzy brytyjscy naukowcy, tacy jak Ernest Rutherford , chcieli, aby izotop nazwano „diplogenem”, od greckiego diploos („podwójny”), a jądro nazwano „diplonem”.

Ilość wywnioskowana dla normalnej obfitości tego ciężkiego izotopu wodoru była tak mała (tylko około 1 atom na 6400 atomów wodoru w wodzie oceanicznej (156 deuterów na milion wodorów)), że nie wpłynęła znacząco na poprzednie pomiary (średniej) masy atomowej wodoru . To wyjaśniało, dlaczego wcześniej nie podejrzewano go eksperymentalnie. Urey był w stanie skoncentrować wodę, aby wykazać częściowe wzbogacenie deuteru. Lewis przygotował pierwsze próbki czystej ciężkiej wody w 1933 roku. Odkrycie deuteru, które nastąpiło przed odkryciem neutronu w 1932 roku, było eksperymentalnym szokiem dla teorii, ale kiedy doniesiono o neutronach, czyniąc istnienie deuteru bardziej zrozumiałym, deuter wygrał Urey otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1934 roku. Lewis był rozgoryczony faktem, że pominięto go za to wyróżnienie przyznane jego byłemu uczniowi.

Eksperymenty „ciężkiej wody” w czasie II wojny światowej

Na krótko przed wojną Hans von Halban i Lew Kowarski przenieśli swoje badania nad moderacją neutronów z Francji do Wielkiej Brytanii, przemycając całą światową dostawę ciężkiej wody (która została wyprodukowana w Norwegii) w dwudziestu sześciu stalowych beczkach.

Podczas II wojny światowej , hitlerowskie Niemcy był znany do przeprowadzania eksperymentów z użyciem ciężkiej wody jako moderatora dla reaktora jądrowego projektu. Takie eksperymenty budziły niepokój, ponieważ mogły pozwolić na produkcję plutonu do bomby atomowej . Ostatecznie doprowadziło to do alianckiej operacji zwanej „ norweskim sabotażem ciężkiej wody ”, której celem było zniszczenie zakładu produkcji/wzbogacania deuteru Vemork w Norwegii. W tym czasie uznano to za ważne dla potencjalnego postępu wojny.

Po zakończeniu II wojny światowej alianci odkryli, że Niemcy nie wkładają w program tak dużego wysiłku, jak wcześniej sądzono. Nie byli w stanie podtrzymać reakcji łańcuchowej. Niemcy ukończyli tylko mały, częściowo zbudowany eksperymentalny reaktor (który został ukryty). Pod koniec wojny Niemcy nie mieli nawet jednej piątej ilości ciężkiej wody potrzebnej do uruchomienia reaktora, częściowo z powodu norweskiej operacji sabotażu ciężkiej wody. Jednak nawet gdyby Niemcom udało się uruchomić reaktor (tak jak zrobiły to USA z reaktorem grafitowym pod koniec 1942 r.), to i tak dzieliłoby ich co najmniej kilka lat od opracowania bomby atomowej . Na przykład proces inżynieryjny, nawet przy maksymalnym wysiłku i funduszach, wymagał około dwóch i pół roku (od pierwszego krytycznego reaktora do bomby) zarówno w USA, jak i ZSRR .

W broni termojądrowej

Obudowa urządzenia „Kiełbasa” bomby Ivy Mike H , przymocowana do oprzyrządowania i sprzętu kriogenicznego. Bomba o wysokości 20 stóp zawierała kriogeniczną kolbę Dewara z miejscem na 160 kg płynnego deuteru.

Zbudowane przez Stany Zjednoczone 62-tonowe urządzenie Ivy Mike , które eksplodowało 1 listopada 1952 roku, było pierwszą w pełni udaną „ bombą wodorową ” (bombą termojądrową). W tym kontekście była to pierwsza bomba, w której większość uwolnionej energii pochodziła z etapów reakcji jądrowych, które następowały po pierwotnym etapie rozszczepienia jądrowego bomby atomowej . Bomba Ivy Mike była budynkiem przypominającym fabrykę, a nie dostarczaną bronią. W jego środku, bardzo duża cylindryczna, izolowana termos lub kriostat , zawierała kriogeniczną ciecz deuter w objętości około 1000 litrów (160 kilogramów masy, jeśli ta objętość była całkowicie wypełniona). Następnie konwencjonalna bomba atomowa („pierwotna”) na jednym końcu bomby została użyta do stworzenia warunków ekstremalnej temperatury i ciśnienia, które były potrzebne do wywołania reakcji termojądrowej .

W ciągu kilku lat opracowano tak zwane „suche” bomby wodorowe, które nie wymagały kriogenicznego wodoru. Ujawnione informacje sugerują, że cała broń termojądrowa zbudowana od tego czasu zawiera związki chemiczne deuteru i litu w swoich wtórnych stadiach. Materiał zawierający deuter to głównie deuterek litu , przy czym lit składa się z izotopu litu-6 . Kiedy lit-6 jest bombardowany szybkimi neutronami z bomby atomowej, wytwarzany jest tryt (wodór-3), a następnie deuter i tryt szybko angażują się w fuzję termojądrową , uwalniając obfitą energię, hel-4 i jeszcze więcej wolnych neutronów .

Nowoczesne badania

W sierpniu 2018 roku naukowcy ogłosili przekształcenie gazowego deuteru w ciekłą formę metaliczną . Może to pomóc naukowcom lepiej zrozumieć gigantyczne planety gazowe , takie jak Jowisz, Saturn i pokrewne egzoplanety , ponieważ uważa się, że takie planety zawierają duże ilości ciekłego metalicznego wodoru, który może być odpowiedzialny za obserwowane przez nie silne pola magnetyczne .

Dane dla deuteru pierwiastkowego

Wzór: D 2 lub2
1
h
2

  • Gęstość: 0,180 kg / m 3 na STP (0 °C ,101,325 kPa ).
  • Masa atomowa: 2.014 101 7926  u .
  • Średnia liczebność w wodzie oceanicznej (z VSMOW ) 155,76 ± 0,1 ppm (stosunek 1 część na około 6420 części), czyli około0,015% atomów w próbce (liczbowo, nie wagowo)

Dane w przybliżeniu 18 K dla D 2 ( punkt potrójny ):

  • Gęstość:
    • Płyn: 162,4 kg / m 3
    • Gaz: 0,452 kilogramów / m 3
  • Lepkość: 12,6  μPa·s przy300 K (faza gazowa)
  • Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu c p :
    • Solidny: 2950 J/(kg·K)
    • Gaz: 5200 J/(kg·K)

Antydeuter

Antideuteron jest antymateria odpowiednik jądra deuteru, składający się Antyprotonowych i antyneutron . Antydeuteron został po raz pierwszy wyprodukowany w 1965 roku w Proton Synchrotron w CERN i Alternating Gradient Synchrotron w Brookhaven National Laboratory . Kompletny atom, z pozytonem krążącym wokół jądra, zostałby nazwany antydeuterem , ale od 2019 roku antydeuter nie został jeszcze stworzony. Proponowanym symbolem antydeuteru jest
D
, czyli D z overbarem.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki


Zapalniczka:
wodór-1
Deuteru jest
izotop z wodorem
Cięższy:
tryt
Produkt rozpadu :
Łańcuch rozpadu
deuteru
Rozpada się do:
Stabilny