Deuterium - Deuterium

Deuterium, vodík-2,  2 H
Hydrogen-2.svg
Izotop deuteria zvýrazněný na zkrácené tabulce nuklidů pro atomová čísla 1 až 29. Počet neutronů začíná na nule a zvyšuje se směrem dolů. Počet protonů začíná na jedné a zvyšuje se doprava. Stabilní izotopy v modré barvě.
Všeobecné
Symbol 2 H
Jména deuterium, H-2, vodík-2, D
Protony 1
Neutrony 1
Nuklidová data
Přirozená hojnost 0,0156% (Země)
Hmotnost izotopů 2,01410177811 u
Roztočit 1 +
Přebytečná energie 13135,720 ± 0,001 keV
Vazebná energie 2224,52 ± 0,20 keV
Izotopy vodíku
Kompletní tabulka nuklidů

Deuterium (nebo vodík-2 , symbol2
H
nebo
D
, Také známý jako těžkého vodíku ) je jedním ze dvou stabilních izotopů z vodíku (jiný být protium , nebo vodík-1). Jádro z deuteria atomu , který se nazývá deuteron , obsahuje jeden proton a jeden neutron , zatímco mnohem běžnější protium nemá žádné neutronů v jádře. Deuterium má v pozemských oceánech přirozený výskyt přibližně jednoho atomu6420 vodíku. Deuterium tedy představuje přibližně 0,0156% (0,0312% hmotnostních) veškerého přirozeně se vyskytujícího vodíku v oceánech, zatímco protium představuje více než 99,98%. Množství deuteria se mírně mění z jednoho druhu přírodní vody na jinou (viz Vídeňská standardní průměrná oceánská voda ).

Název deuterium je odvozen z řeckého deuteros , což znamená „druhé“, což znamená dvě částice tvořící jádro. Deuterium objevil a pojmenoval v roce 1931 Harold Urey . Když byl v roce 1932 objeven neutron, byla tím patrná jaderná struktura deuteria a Urey získal v roce 1934 Nobelovu cenu „za objev těžkého vodíku“. Brzy po objevu deuteria vyrobili Urey a další vzorky „ těžké vody “, ve které byl obsah deuteria vysoce koncentrovaný.

Deuterium je ve vnitřcích hvězd zničeno rychleji, než se vyrábí. Předpokládá se, že jiné přírodní procesy produkují pouze nepatrné množství deuteria. Téměř veškeré deuterium nalezené v přírodě bylo vyrobeno ve Velkém třesku před 13,8 miliardami let, protože základní nebo prvotní poměr vodíku-1 k deuteriu (asi 26 atomů deuteria na milion atomů vodíku) má svůj původ od té doby. Toto je poměr nalezený na plynných obřích planetách, jako je Jupiter. Analýza poměrů deuteria a protia v kometách zjistila výsledky velmi podobné průměrnému poměru v pozemských oceánech (156 atomů deuteria na milion atomů vodíku). To posiluje teorie, že velká část oceánské vody Země je kometárního původu. Poměr deuterium-protium komety 67P/Churyumov-Gerasimenko , měřený kosmickou sondou Rosetta , je asi třikrát větší než pozemská voda. Toto číslo je nejvyšší, jaké bylo dosud u komety naměřeno.

Poměry deuteria a protia jsou tedy i nadále aktivním tématem výzkumu v astronomii i klimatologii.

Rozdíly od běžného vodíku (protium)

Chemický symbol

Deuteriová vypouštěcí trubice

Deuterium je často reprezentováno chemickou značkou D. Jelikož je izotopem vodíku s hmotností číslo 2, je také reprezentován2
H
. IUPAC umožňuje jak D, tak2
H
, Ačkoli 2
H
je upřednostňováno. Zřetelný chemický symbol se používá pro pohodlí, protože izotop je běžně používán v různých vědeckých procesech. Také jeho velký hmotnostní rozdíl s protiem ( 1 H) (deuterium má hmotnost2,014 102  u , v porovnání se střední vodíkové atomové hmotnosti všech1,007 947  u a hmotnost protia1,007 825  u ) propůjčuje nezanedbatelné chemické odlišnosti sloučenin obsahujícím protium, zatímco hmotnostní poměry izotopů v jiných chemických prvcích jsou v tomto ohledu do značné míry nevýznamné.

Spektroskopie

V kvantové mechanice závisí energetické hladiny elektronů v atomech na snížené hmotnosti soustavy elektronů a jader. U atomu vodíku je role redukované hmotnosti nejjednodušeji vidět v Bohrově modelu atomu, kde se redukovaná hmotnost objevuje v jednoduchém výpočtu Rydbergovy konstanty a Rydbergovy rovnice, ale redukovaná hmotnost se objevuje také v Schrödingerově rovnici , a Diracova rovnice pro výpočet hladin atomové energie.

Snížená hmotnost systému v těchto rovnicích se blíží hmotnosti jednoho elektronu, ale liší se od něj malým množstvím přibližně rovným poměru hmotnosti elektronu k atomovému jádru. U vodíku je toto množství přibližně 1837/1836 nebo 1 000545 a u deuteria je ještě menší: 3671/3670 nebo 1 0002725. Energie spektroskopických čar pro deuterium a lehký vodík ( vodík-1 ) se proto liší poměry těchto dvou čísel, což je 1 000272. Vlnové délky všech deuteriových spektroskopických čar jsou kratší než odpovídající linie lehkého vodíku, a to o faktor 1 000272. V astronomickém pozorování to odpovídá modrému dopplerovskému posunu 0,000272násobku rychlosti světla neboli 81,6 km/s.

Rozdíly jsou mnohem výraznější ve vibrační spektroskopii, jako je infračervená spektroskopie a Ramanova spektroskopie , a v rotačních spektrech, jako je mikrovlnná spektroskopie, protože snížená hmotnost deuteria je výrazně vyšší než hmotnost protia. V nukleární magnetické rezonanční spektroskopii má deuterium velmi odlišnou frekvenci NMR (např. 61 MHz, když je protium na 400 MHz) a je mnohem méně citlivé. V protiové NMR se obvykle používají deuterovaná rozpouštědla, aby se zabránilo překrývání rozpouštědla se signálem, ačkoli je také možné deuteriové NMR samotné.

Nukleosyntéza velkého třesku

Předpokládá se, že deuterium hrálo důležitou roli při určování počtu a poměrů prvků, které vznikly ve Velkém třesku . Kombinací termodynamiky a změn způsobených kosmickou expanzí lze vypočítat zlomek protonů a neutronů na základě teploty v bodě, kdy se vesmír dostatečně ochladil, aby umožnil tvorbu jader . Tento výpočet naznačuje sedm protonů pro každý neutron na začátku nukleogeneze , což je poměr, který by zůstal stabilní i po skončení nukleogeneze. Tato frakce byla zpočátku ve prospěch protonů, především proto, že nižší hmotnost protonu upřednostňovala jejich produkci. Jak se vesmír rozpínal, ochlazoval se. Volné neutrony a protony jsou méně stabilní než jádra helia a protony a neutrony měly silný energetický důvod k vytvoření helia-4 . Formování helia-4 však vyžaduje mezistupeň tvorby deuteria.

Po většinu několika minut po Velkém třesku, během nichž mohla dojít k nukleosyntéze, byla teplota dostatečně vysoká, aby průměrná energie na částici byla větší než vazebná energie slabě vázaného deuteria; proto každé deuterium, které vzniklo, bylo okamžitě zničeno. Tato situace je známá jako zúžení deuteria . Úzké místo zpozdilo tvorbu jakéhokoli hélia-4, dokud se vesmír neochladil natolik, aby vytvořil deuterium (přibližně při teplotě ekvivalentní 100 keV ). V tomto okamžiku došlo k náhlému výbuchu tvorby prvků (první deuterium, které okamžitě splynulo s héliem). Velmi krátce poté, dvacet minut po Velkém třesku, se však vesmír stal příliš chladným na to, aby mohlo dojít k další jaderné fúzi a nukleosyntéze. V tomto bodě byly elementární nadbytky téměř fixní, s jedinou změnou, protože některé z radioaktivních produktů nukleosyntézy velkého třesku (jako je tritium ) se rozpadaly. Zúžení deuteria při tvorbě hélia, spolu s nedostatkem stabilních způsobů, jak se hélium kombinovat s vodíkem nebo s ním samotným (neexistují žádná stabilní jádra s hmotnostními čísly pět nebo osm), znamenalo, že nevýznamné množství uhlíku nebo jakýchkoli prvků těžší než uhlík, vytvořené ve Velkém třesku. Tyto prvky tedy vyžadovaly formování ve hvězdách. Selhání velké části nukleogeneze během Velkého třesku zároveň zajistilo, že v pozdějším vesmíru bude k dispozici dostatek vodíku pro vznik hvězd s dlouhou životností, jako je naše Slunce.

Hojnost

Deuterium se vyskytuje ve stopovém množství přirozeně jako plyn deuteria , psaný2
H
2 nebo D 2 , ale většina přirozeně se vyskytujících atomů ve vesmíru je spojena s typickým1
H
atom, plyn zvaný deuterid vodíku (HD nebo1
H
2
H
).

Existence deuteria na Zemi, jinde ve sluneční soustavě (jak potvrzují planetární sondy) a ve spektrech hvězd , je také důležitým datem v kosmologii . Gama záření z běžné jaderné fúze disociuje deuterium na protony a neutrony a nejsou známy žádné jiné přírodní procesy než nukleosyntéza Velkého třesku, které by mohly produkovat deuterium v ​​čemkoli blízkém pozorovanému přirozenému množství. Deuterium je produkováno vzácným rozpadem klastru a příležitostnou absorpcí přirozeně se vyskytujících neutronů lehkým vodíkem, ale jedná se o triviální zdroje. Předpokládá se, že ve vnitřku Slunce a dalších hvězd je málo deuteria, protože při těchto teplotách probíhají reakce jaderné fúze, které spotřebovávají deuterium, mnohem rychleji než reakce proton-proton, která vytváří deuterium. Deuterium však přetrvává ve vnější sluneční atmosféře zhruba ve stejné koncentraci jako na Jupiteru, a to se pravděpodobně od vzniku sluneční soustavy nezměnilo. Přirozené množství deuteria se zdá být velmi podobnou frakcí vodíku, ať už je vodík nalezen kdekoli, pokud v práci nejsou zřejmé procesy, které jej koncentrují.

Existence deuteria v nízké, ale konstantní prvotní frakci ve všech vodících je dalším z argumentů ve prospěch teorie velkého třesku nad teorií ustáleného stavu vesmíru. Pozorované poměry vodíku k héliu k deuteriu ve vesmíru je obtížné vysvětlit, kromě modelu velkého třesku. Odhaduje se, že množství deuteria se od jejich produkce asi před 13,8 miliardami let nijak výrazně nevyvinulo. Měření galaktického deuteria Mléčné dráhy z ultrafialové spektrální analýzy ukazují poměr až 23 atomů deuteria na milion atomů vodíku v nerušených oblacích plynu, což je pouze 15% pod odhadovaným prvotním poměrem WMAP asi 27 atomů na milion z Big Bang. To bylo interpretováno tak, že to znamená, že při tvorbě hvězd v naší galaxii bylo zničeno méně deuteria, než se očekávalo, nebo bylo deuterium pravděpodobně doplněno velkým přílivem prvotního vodíku mimo galaxii. Ve vesmíru několik set světelných let od Slunce je množství deuteria pouze 15 atomů na milion, ale tato hodnota je pravděpodobně ovlivněna diferenciální adsorpcí deuteria na zrna uhlíkového prachu v mezihvězdném prostoru.

Množství deuteria v atmosféře Jupitera bylo přímo měřeno kosmickou sondou Galileo jako 26 atomů na milion atomů vodíku. Pozorování ISO-SWS nacházejí v Jupiteru 22 atomů na milion atomů vodíku. a předpokládá se, že tato hojnost je blízká prvotnímu poměru sluneční soustavy. To je asi 17% poměru pozemského deuteria k vodíku 156 atomů deuteria na milion atomů vodíku.

Bylo naměřeno, že kometární tělesa, jako kometa Hale-Bopp a Halleyova kometa, obsahují relativně více deuteria (asi 200 atomů D na milion vodíků), což jsou poměry, které jsou obohaceny vzhledem k předpokládanému poměru protosolárních mlhovin, pravděpodobně v důsledku zahřívání, a které jsou podobné poměrům nalezeným v mořské vodě Země. Nedávné měření množství deuteria 161 atomů D na milion vodíku v kometě 103P/Hartley (bývalý objekt Kuiperova pásu ), což je poměr téměř přesně ten v pozemských oceánech, zdůrazňuje teorii, že povrchová voda Země může být do značné míry odvozena z komety. Poměr deuterium – protium (D – H) 67P/Churyumov – Gerasimenko měřený Rosettou je v poslední době asi třikrát vyšší než u pozemské vody, což je číslo, které je vysoké. To způsobilo nový zájem o návrhy, že zemská voda může být částečně asteroidního původu.

Bylo také pozorováno, že deuterium je soustředěno na střední sluneční hojnost na jiných pozemských planetách, zejména na Marsu a Venuši.

Výroba

Deuterium se vyrábí pro průmyslové, vědecké a vojenské účely tak, že se začíná běžnou vodou-malou část tvoří přirozeně se vyskytující těžká voda- a poté se těžká voda oddělí Girdlerovým sulfidovým procesem , destilací nebo jinými metodami.

V jaderném reaktoru by teoreticky mohlo být vytvořeno deuterium pro těžkou vodu, ale separace z běžné vody je nejlevnějším hromadným výrobním procesem.

Předním světovým dodavatelem deuteria byla společnost Atomic Energy of Canada Limited do roku 1997, kdy byla odstavena poslední těžká vodní elektrárna. Kanada používá těžkou vodu jako moderátor neutronů pro provoz konstrukce reaktoru CANDU .

Dalším významným producentem těžké vody je Indie. Všechny kromě jedné z indických atomových energetických továren jsou tlakové těžkovodní rostliny, které používají přírodní (tj. Neobohacený) uran. Indie má osm těžkých vodních závodů, z nichž sedm je v provozu. Šest závodů, z nichž pět je v provozu, je založeno na výměně D – H v plynném amoniaku. Další dvě rostliny extrahují deuterium z přírodní vody v procesu, který využívá plynný sirovodík při vysokém tlaku.

Zatímco Indie je soběstačná v těžké vodě pro vlastní potřebu, Indie nyní také vyváží těžkou vodu vhodnou pro reaktory.

Vlastnosti

Fyzikální vlastnosti

Ve srovnání s vodíkem v jeho přirozeném složení na Zemi má čisté deuterium (D 2 ) vyšší bod tání (18,72 K vs 13,99 K), vyšší bod varu (23,64 K vs 20,27 K), vyšší kritickou teplotu (38,3 K vs 32,94 K) a vyšší kritický tlak (1,6496 MPa proti 1,2858 MPa).

Fyzikální vlastnosti sloučenin deuteria mohou vykazovat významné efekty kinetických izotopů a další rozdíly ve fyzikálních a chemických vlastnostech oproti analogům protia. D 2 O , například, je více viskózní než H 2 O . Chemicky existují rozdíly v energii vazby a délce sloučenin těžkých izotopů vodíku ve srovnání s protiem, které jsou větší než izotopové rozdíly v jakémkoli jiném prvku. Vazby zahrnující deuterium a tritium jsou poněkud silnější než odpovídající vazby v protiu a tyto rozdíly jsou dostatečné k tomu, aby způsobily významné změny biologických reakcí. Farmaceutické firmy se zajímají o to, že deuterium je těžší odstranit z uhlíku než protium.

Deuterium může nahradit protium v ​​molekulách vody za vzniku těžké vody (D 2 O), která je asi o 10,6% hustší než normální voda (takže led z ní vyrobený klesá do běžné vody). Těžká voda je u eukaryotických zvířat mírně toxická , přičemž 25% substituce tělesné vody způsobuje problémy s dělením buněk a sterilitu a 50% substituce způsobuje smrt cytotoxickým syndromem (selhání kostní dřeně a selhání gastrointestinální výstelky). Prokaryotické organismy však mohou přežít a růst v čisté těžké vodě, i když se vyvíjejí pomalu. Navzdory této toxicitě konzumace těžké vody za normálních okolností nepředstavuje pro člověka zdravotní riziko . Odhaduje se, že 70 kg (154 lb) osoba by mohla vypít 4,8 litru těžké vody bez vážných následků. Malé dávky těžké vody (několik gramů u lidí, obsahující množství deuteria srovnatelné s tím, které je běžně přítomno v těle) se běžně používají jako neškodné metabolické stopovače u lidí a zvířat.

Kvantové vlastnosti

Deuteron má spin +1 („ stav tripletu “) a je tedy bosonem . NMR frekvence deuterium je významně odlišný od běžného lehkého vodíku. Infračervená spektroskopie také snadno rozlišuje mnoho deuterovaných sloučenin díky velkému rozdílu v absorpční frekvenci IR pozorovaném při vibracích chemické vazby obsahující deuterium oproti lehkému vodíku. Dva stabilní izotopy vodíku lze také rozlišit pomocí hmotnostní spektrometrie .

Tripletový deuteronový nukleon je sotva vázán na E B =2,23 MeV a žádný z vyšších energetických stavů není vázán. Singletový deuteron je virtuální stav s negativní vazebnou energií~ 60 keV . Neexistuje žádná taková stabilní částice, ale tato virtuální částice přechodně existuje během nepružného rozptylu neutronů a protonů, což představuje neobvykle velký průřez protonu rozptylem neutronů.

Jaderné vlastnosti (deuteron)

Hmotnost a poloměr Deuteronu

Jádro deuteria se nazývá deuteron . Má spoustu2,013 553 212 745 (40) u (těsně nad1,875 GeV ).

Poloměr náboje z deuteronu je2,127 99 (74)  fm .

Stejně jako poloměr protonu přináší měření pomocí muonického deuteria menší výsledek:2,125 62 (78)  fm .

Točit a energii

Deuterium je jedním z pouhých pěti stabilních nuklidů s lichým počtem protonů a lichým počtem neutronů. (2
H
, 6
Li
, 10
B
, 14
N.
, 180 m
Ta
; také radioaktivní nuklidy s dlouhou životností40
K
, 50
PROTI
, 138
Los Angeles
, 176
Lu
vyskytují se přirozeně.) Většina lichých-lichých jader je nestabilní s ohledem na rozpad beta , protože produkty rozpadu jsou sudé a sudé , a proto jsou silněji vázány, kvůli účinkům párování jader . Deuterium však těží z toho, že jeho proton a neutron jsou spojeny se stavem spin-1, což dává silnější jadernou přitažlivost; odpovídající stav spin-1 neexistuje v systému dvou neutronů nebo dvou protonů, kvůli Pauliho vylučovacímu principu, který by vyžadoval, aby jedna nebo druhá identická částice se stejným spinem měla nějaké jiné odlišné kvantové číslo, jako je orbitální moment hybnosti . Orbitální moment hybnosti každé částice však dává nižší vazebnou energii systému, a to především v důsledku rostoucí vzdálenosti částic ve strmém gradientu jaderné síly. V obou případech to způsobí diproton a dineutron jádro být nestabilní .

Proton a neutron tvořící deuterium lze disociovat prostřednictvím interakcí neutrálního proudu s neutriny . Průřez této interakce je poměrně velký, a deuteria byl úspěšně použit jako cíl neutrin v Sudbury observatoř neutrina experimentu.

Diatomické deuterium (D 2 ) má orto a para nukleární spinové izomery jako dvouatomový vodík, ale s rozdíly v počtu a populaci spinových stavů a ​​úrovní rotace , ke kterým dochází, protože deuteron je boson s jaderným spinem rovným jedné.

Isospin singletový stav deuteronu

Vzhledem k podobnosti hmotnosti a jaderných vlastností mezi protonem a neutronem jsou někdy považovány za dva symetrické typy stejného objektu, nukleonu . I když pouze proton má elektrický náboj, je to často zanedbatelné kvůli slabosti elektromagnetické interakce vzhledem k silné jaderné interakci . Symetrie vztahující se k protonu a neutronu je známá jako isospin a označuje se I (nebo někdy T ).

Isospin je symetrie SU (2) , jako obyčejný spin , takže je mu zcela analogický. Proton a neutron, z nichž každý má iso spin- 1 / 2 , tvoří isospin dublet (analogický k odstředění dublet ), s "dolů" stavu (↓) je neutronová a "až" stavu (↑) je proton. Dvojice nukleonů může být buď v asymetrickém stavu isospinu nazývaném singlet , nebo v symetrickém stavu nazývaném triplet . Pokud jde o stav „dolů“ a „nahoru“, singlet je

, které lze také napsat:

Jedná se o jádro s jedním protonem a jedním neutronem, tedy jádro deuteria. Triplet je

a skládá se tedy ze tří typů jader, která mají být symetrická: jádro deuteria (ve skutečnosti jeho vysoce excitovaný stav ), jádro se dvěma protony a jádro se dvěma neutrony. Tyto stavy nejsou stabilní.

Přibližná vlnová funkce deuteronu

Pokud je použita reprezentace isospinu, musí být deuteronová vlnová funkce antisymetrická (protože proton a neutron nejsou identické částice, vlnová funkce nemusí být obecně antisymetrická). Kromě svého isospinu mají tyto dva nukleony také spinovou a prostorovou distribuci své vlnové funkce. Ten je symetrický, pokud je deuteron symetrický pod paritou (tj. Má „sudou“ nebo „pozitivní“ paritu), a antisymetrický, pokud je deuteron antisymetrický podle parity (tj. Má „lichou“ nebo „negativní“ paritu). Parita je plně určena celkovým orbitálním momentem hybnosti dvou nukleonů: pokud je sudý, pak je parita sudá (kladná), a pokud je lichá, pak je parita lichá (záporná).

Deuteron, který je izospinovým singletem, je antisymetrický při výměně nukleonů kvůli isospinu, a proto musí být symetrický pod dvojitou výměnou jejich rotace a umístění. Může tedy být v kterémkoli z následujících dvou různých stavů:

  • Symetrický spin a symetrický pod paritou. V tomto případě výměna dvou nukleonů znásobí deuteriovou vlnovou funkci o (-1) z výměny isospinů, (+1) z výměny spinů a (+1) z parity (výměna polohy), celkem tedy (−1 ) podle potřeby pro antisymetrii.
  • Antisymetrický spin a antisymetrický pod paritou. V tomto případě výměna těchto dvou nukleonů znásobí deuteriovou vlnovou funkci o (-1) z výměny isospinů, (-1) z výměny spinu a (-1) z parity (výměna polohy), opět celkem ( -) 1) podle potřeby pro antisymetrii.

V prvním případě je deuteron spinovým tripletem, takže jeho celkový spin s je 1. Má také sudou paritu a tedy i orbitální moment hybnosti l  ; Čím nižší je jeho orbitální moment hybnosti, tím nižší je jeho energie. Proto nejnižší možný energetický stav má s = 1 , l = 0 .

V druhém případě je deuteron spinovým singletem, takže jeho celkový spin s je 0. Má také lichou paritu, a proto lichý orbitální moment hybnosti l . Proto nejnižší možný energetický stav má s = 0 , l = 1 .

Protože s = 1 dává silnější jadernou přitažlivost, je základní stav deuteria ve stavu s = 1 , l = 0 .

Stejné úvahy vedou k možným stavům izospinového tripletu, který má s = 0 , l = sudý nebo s = 1 , l = lichý . Stav nejnižší energie má tedy s = 1 , l = 1 , vyšší než stav izospinového singletu.

Právě uvedená analýza je ve skutečnosti pouze přibližná, protože izospin není přesná symetrie, a co je důležitější, protože silná jaderná interakce mezi těmito dvěma nukleony souvisí s momentem hybnosti v interakci spin -orbita, která mísí různé stavy s a l . To znamená, že to a l nejsou konstantní v čase (nejsou dojíždět s hamiltoniánu ), a v průběhu doby stavu, jako je s = 1 , L = 0 může být stav s = 1 , l = 2 . Parita je v čase stále konstantní, takže se nemísí s lichými stavy l (například s = 0 , l = 1 ). Proto je kvantový stav deuteria superpozicí (lineární kombinací) stavu s = 1 , l = 0 a s = 1 , l = 2 , přestože první složka je mnohem větší. Protože celková hybnost hybnosti j je také dobré kvantové číslo (je to konstanta v čase), musí mít obě složky stejné j , a tedy j = 1 . Toto je celkový spin jádra deuteria.

Abychom to shrnuli, jádro deuteria je antisymetrické z hlediska isospinu a má spin 1 a dokonce (+1) paritu. Relativní moment hybnosti jeho nukleonů l není dobře definován a deuteron je superpozicí většinou l = 0 s nějakým l = 2 .

Magnetické a elektrické multipóly

Aby bylo možné teoreticky najít deuteriový magnetický dipólový moment μ, použije se vzorec pro nukleární magnetický moment

s

g (l) a g (s) jsou g-faktory nukleonů.

Protože proton a neutron mají různé hodnoty pro g (l) a g (s) , je třeba jejich příspěvky oddělit. Každý získá polovinu orbitálního momentu hybnosti deuteria a rotaci . Jeden dorazí na

kde indexy p a n znamenají proton a neutron a g (l) n = 0 .

Použitím stejných identit jako zde a pomocí hodnoty g (l) p = 1 dojdeme k následujícímu výsledku, v jednotkách jaderného magnetonu μ N

Pro stav s = 1 , l = 0 ( j = 1 ) získáme

Pro stav s = 1 , l = 2 ( j = 1 ) získáme

Naměřená hodnota magnetického dipólového momentu deuteria je0,857 μ N , což je 97,5%0,879 μ N hodnotu získanou jednoduchým přidáním okamžiky protonu a neutronu. To naznačuje, že stav deuteria je skutečně ve stavu dobré aproximace s = 1 , l = 0 , ke kterému dochází, když se oba nukleony točí ve stejném směru, ale jejich magnetické momenty se odečítají kvůli negativnímu momentu neutronu.

Ale mírně nižší experimentální číslo, než jaké vyplývá z jednoduchého sčítání protonových a (negativních) neutronových momentů, ukazuje, že deuterium je ve skutečnosti lineární kombinací většinou s = 1 , l = 0 stavu s mírnou příměsí s = 1 , l = 2 stát.

Elektrický dipól je nula jako obvykle .

Naměřený elektrický kvadrupól deuteria je0,2859  e · fm 2 . Zatímco řád je přiměřený, protože poloměr deuteria je řádově 1 femtometr (viz níže) a jeho elektrický náboj je e, výše uvedený model na jeho výpočet nestačí. Přesněji řečeno, elektrický čtyřpól nedostává příspěvek ze stavu l = 0 (který je dominantní) a získává příspěvek z pojmu mísícího stavy l = 0 a l = 2, protože operátor elektrického čtyřpólu ano ne dojíždět s momentem hybnosti .

Druhý příspěvek je dominantní v nepřítomnosti čistého příspěvku l = 0 , ale nelze jej vypočítat bez znalosti přesné prostorové formy vlnové funkce nukleonů uvnitř deuteria.

Vyšší magnetické a elektrické vícepólové momenty nelze z výše uvedeného modelu vypočítat, a to z podobných důvodů.

Aplikace

Deuterium má řadu komerčních a vědeckých využití. Tyto zahrnují:

Jaderné reaktory

Ionizované deuterium ve fusorovém reaktoru vydávající charakteristickou růžovočervenou záři

Deuterium se používá v těžkých vodách moderovaných štěpných reaktorech , obvykle jako kapalný D 2 O, ke zpomalení neutronů bez vysoké absorpce běžného vodíku neutrony. Toto je běžné komerční použití pro větší množství deuteria.

Ve výzkumných reaktorech se kapalina D 2 používá ve studených zdrojích ke zmírnění neutronů na velmi nízké energie a vlnové délky vhodné pro experimenty s rozptylem .

Experimentálně je deuterium nejběžnějším nuklidem používaným v konstrukci reaktorů jaderné fúze , zejména v kombinaci s tritiem , kvůli velké reakční rychlosti (nebo jadernému průřezu ) a vysokému energetickému výtěžku reakce D -T. Existuje ještě vyšší výnos D–3
On
fúzní reakce, ačkoli bod zlomu D–3
On
je vyšší než u většiny ostatních fúzních reakcí; spolu s nedostatkem3
On
Díky tomu je jako praktický zdroj energie nepravděpodobný, dokud nebudou v komerčním měřítku provedeny alespoň fúzní reakce D – T a D – D. Komerční jaderná fúze ještě není dokonalá technologie.

NMR spektroskopie

Deuterium se nejčastěji používá ve vodíkové nukleární magnetické rezonanční spektroskopii ( protonová NMR ) následujícím způsobem. NMR obvykle vyžaduje, aby se sloučeniny zájmu analyzovaly jako rozpuštěné v roztoku. Vzhledem k vlastnostem nukleární rotace deuteria, které se liší od lehkého vodíku obvykle přítomného v organických molekulách, jsou NMR spektra vodíku/protia velmi odlišná od spektra deuteria a v praxi deuterium „nevidí“ přístroj NMR vyladěný na lehký vodík . Deuterovaná rozpouštědla (včetně těžké vody, ale také sloučeniny, jako deuterovaném chloroformu, CDCI 3 ) se proto používají u NMR spektroskopie, s cílem umožnit pouze světelný vodík spektra sloučeniny zájmu, které mají být měřeny, bez zásahu rozpouštědla signálu.

Spektroskopii nukleární magnetické rezonance lze také použít k získání informací o prostředí deuteronu v izotopicky značených vzorcích ( Deuterium NMR ). Například flexibilitu v ocasu, což je dlouhý uhlovodíkový řetězec, v lipidových molekulách značených deuteriem lze kvantifikovat pomocí NMR deuteria v pevném stavu.

Spektra deuteria NMR jsou zvláště informativní v pevném stavu kvůli svému relativně malému kvadrupólovému momentu ve srovnání s většími kvadrupolárními jádry, jako je například chlor-35.

Trasování

V chemii , biochemii a vědách o životním prostředí se deuterium používá jako neradioaktivní stabilní izotopový indikátor , například při dvojnásobně značeném testu vody . V chemických reakcích a metabolických cestách se deuterium chová poněkud podobně jako běžný vodík (s několika chemickými rozdíly, jak je uvedeno). Od běžného vodíku jej lze nejsnáze odlišit podle hmotnosti, pomocí hmotnostní spektrometrie nebo infračervené spektrometrie . Deuterium lze detekovat femtosekundovou infračervenou spektroskopií, protože hmotnostní rozdíl drasticky ovlivňuje frekvenci molekulárních vibrací; vibrace vazby deuterium-uhlík se nacházejí ve spektrálních oblastech bez dalších signálů.

Měření malých variací přirozeného množství deuteria spolu se stabilními těžkými izotopy kyslíku 17 O a 18 O mají význam v hydrologii , aby bylo možné vysledovat geografický původ vod Země. Těžké izotopy vodíku a kyslíku v dešťové vodě (takzvaná meteorická voda ) jsou obohaceny v závislosti na teplotě prostředí v oblasti, do které srážky spadají (a tedy obohacení souvisí se střední šířkou). Relativní obohacení těžkých izotopů v dešťové vodě (odkazováno na průměrnou oceánskou vodu) při vykreslení proti teplotním pádům předvídatelně podél linie nazývané globální meteorická vodní linie (GMWL). Tento graf umožňuje identifikaci vzorků vody pocházející ze srážek a obecné informace o klimatu, ve kterém pochází. Odpařovací a jiné procesy ve vodních útvarech a také procesy podzemní vody také rozdílně mění poměry těžkých izotopů vodíku a kyslíku ve sladkých a slaných vodách, a to charakteristickými a často regionálně odlišnými způsoby. Poměr koncentrace 2 H k 1 H je obvykle označen deltou jako 5 2 H a geografické vzorce těchto hodnot jsou zakresleny do map nazývaných izoscapy. Stabilní izotopy jsou začleněny do rostlin a živočichů a analýza poměrů u migrujícího ptáka nebo hmyzu může pomoci navrhnout hrubý průvodce jejich původem.

Kontrastní vlastnosti

Techniky rozptylu neutronů těží zejména z dostupnosti deuterovaných vzorků: Průřezy H a D jsou velmi odlišné a liší se znakem, což umožňuje variabilitu kontrastu v takových experimentech. Problémem běžného vodíku je navíc jeho velký nesouvislý neutronový průřez, který je pro D. nulový. Substituce atomů vodíku atomů deuteria tak snižuje rozptylový šum.

Vodík je důležitou a hlavní složkou všech materiálů organické chemie a biologie, ale s rentgenovými paprsky interaguje jen stěží. Vzhledem k tomu, že vodík (a deuterium) silně interagují s neutrony, techniky rozptylu neutronů spolu s moderním deuteračním zařízením zaplňují mezeru v mnoha studiích makromolekul v biologii a mnoha dalších oblastech.

Nukleární zbraně

Toto je popsáno níže. Je pozoruhodné, že ačkoli většina hvězd, včetně Slunce, generuje energii po většinu svého života fúzí vodíku do těžších prvků, taková fúze lehkého vodíku (protium) nebyla nikdy v podmínkách dosažitelných na Zemi úspěšná. Aby tedy celý proces fungoval, veškerá umělá fúze, včetně fúze vodíku, ke které dochází v takzvaných vodíkových bombách, vyžaduje těžký vodík (buď tritium nebo deuterium nebo obojí).

Drogy

Deuterované léčivo je léčivý přípravek s malou molekulou, ve kterém byl jeden nebo více atomů vodíku obsažených v molekule léčiva nahrazeno deuteriem. Kvůli účinku kinetických izotopů mohou léky obsahující deuterium mít výrazně nižší rychlost metabolismu , a tím i delší poločas . V roce 2017 se deutetrabenazin stal prvním deuterovaným lékem, který obdržel schválení FDA.

Zesílené základní živiny

Deuterium lze použít k posílení specifických CH vazeb citlivých na oxidaci v rámci esenciálních nebo podmíněně esenciálních živin , jako jsou určité aminokyseliny nebo polynenasycené mastné kyseliny (PUFA), díky čemuž jsou odolnější vůči oxidačnímu poškození. Deuterované polynenasycené mastné kyseliny , jako je kyselina linolová , zpomalují řetězovou reakci peroxidace lipidů, která poškozuje živé buňky. Deuterovaný ethylester kyseliny linolové ( RT001 ), vyvinutý společností Retrotope, je v soucitné studii u infantilní neuroaxonální dystrofie a úspěšně dokončil studii fáze I/II u Friedreichovy ataxie .

Termostabilizace

Živé vakcíny, jako je například perorální poliovakcíny , mohou být stabilizovány deuterium, a to buď samostatně, nebo v kombinaci s jinými stabilizátory, jako je MgCl 2 .

Zpomalení cirkadiánních oscilací

Bylo prokázáno, že deuterium prodlužuje dobu oscilace cirkadiánních hodin při dávkování u krys, křečků a dinoflagelátů Gonyaulax . U potkanů, chronického příjmu 25% D 2 O narušuje cirkadiánní rytmus prodloužením cirkadiánní období jádro suprachiasmatic dependentní rytmy v hypotalamu mozku. Experimenty na křečcích také podporují teorii, že deuterium působí přímo na suprachiasmatické jádro, aby prodloužilo volně běžící cirkadiánní období.

Dějiny

Podezření na izotopy lehčích prvků

Existence neradioaktivních izotopů lehčích prvků byla podezírána při studiích neonů již v roce 1913 a prokázána hmotnostní spektrometrií světelných prvků v roce 1920. Tehdy převládala teorie, že izotopy prvku se liší existencí dalších protonů v jádru doprovázeno stejným počtem jaderných elektronů . V této teorii by jádro deuteria s hmotností dvě a jedním nábojem obsahovalo dva protony a jeden jaderný elektron. Očekávalo se však, že prvek vodík s průměrnou průměrnou atomovou hmotností velmi blízkou1 u , známá hmotnost protonu, má vždy jádro složené z jediného protonu (známá částice) a nemohla obsahovat druhý proton. Předpokládalo se tedy, že vodík nemá žádné těžké izotopy.

Bylo detekováno deuterium

Harold Urey , objevitel deuteria

Poprvé byl spektroskopicky detekován koncem roku 1931 Haroldem Ureyem , chemikem z Kolumbijské univerzity . Urey spolupracovník, Ferdinand Brickwedde , destilovaná pět litrů z kryogenně vyrobeného kapalného vodíku naml kapaliny za použití nízkoteplotní fyzikální laboratoře, která byla nedávno zřízena v National Bureau of Standards ve Washingtonu, DC (nyní National Institute of Standards and Technology ). Tato technika byla dříve použita k izolaci těžkých izotopů neonů. Kryogenní boiloff technika koncentruje frakci izotopu hmotnosti 2 vodíku do takové míry, že je jeho spektroskopická identifikace jednoznačná.

Pojmenování izotopu a Nobelova cena

Názvy protium , deuterium a tritium vytvořil Urey v článku publikovaném v roce 1934. Název je částečně založen na doporučení GN Lewise, který navrhl název „deutium“. Název je odvozen z řeckého deuteros („druhý“) a jádro se nazývá „deuteron“ nebo „deuton“. Izotopy a nové prvky dostaly tradičně jméno, které rozhodl jejich objevitel. Někteří britští vědci, například Ernest Rutherford , chtěli, aby byl izotop nazýván „diplogen“, z řeckého diploos („dvojitý“), a jádro bylo nazýváno „diplon“.

Množství odvozené pro normální množství tohoto těžkého izotopu vodíku bylo tak malé (pouze asi 1 atom v 6400 atomech vodíku v oceánské vodě (156 deuterií na milion vodíků)), že nemělo znatelný vliv na předchozí měření (průměrné) atomové hmotnosti vodíku . To vysvětlovalo, proč to dříve nebylo experimentálně podezřelé. Urey dokázal koncentrovat vodu, aby ukázal částečné obohacení deuteria. Lewis připravil první vzorky čisté těžké vody v roce 1933. Objev deuteria, který předcházel objevu neutronu v roce 1932, byl experimentálním šokem pro teorii, ale když byl neutron hlášen, takže existence deuteria byla vysvětlitelnější, deuterium zvítězilo Urey Nobelovu cenu za chemii v roce 1934. Lewis byl rozhořčen tím, že byl předán za toto uznání svému bývalému studentovi.

Experimenty „těžké vody“ ve druhé světové válce

Krátce před válkou přesunuli Hans von Halban a Lew Kowarski svůj výzkum moderování neutronů z Francie do Británie a pašovali do něj celosvětovou dodávku těžké vody (vyrobenou v Norsku) ve dvaceti šesti ocelových sudech.

Během druhé světové války bylo o nacistickém Německu známo, že provádí experimenty s využitím těžké vody jako moderátora návrhu jaderného reaktoru . Takové experimenty byly zdrojem obav, protože jim mohly umožnit vyrobit plutonium pro atomovou bombu . Nakonec to vedlo ke spojenecké operaci zvané „ norská sabotáž těžké vody “, jejímž cílem bylo zničit zařízení na výrobu/obohacování deuteria Vemork v Norsku. V té době to bylo považováno za důležité pro potenciální průběh války.

Po skončení druhé světové války spojenci zjistili, že Německo do programu nevkládá tolik vážného úsilí, jak se dříve myslelo. Nebyli schopni udržet řetězovou reakci. Němci dokončili pouze malý, částečně postavený experimentální reaktor (který byl ukryt). Do konce války neměli Němci ani pětinu množství těžké vody potřebné k provozu reaktoru, částečně kvůli norské sabotážní operaci těžké vody. I kdyby se Němcům podařilo reaktor uvést do provozu (jako se to podařilo USA s grafitovým reaktorem na konci roku 1942), od vývoje atomové bomby by je stále dělilo nejméně několik let . Technický proces, i při maximálním úsilí a financování, vyžadoval například v USA a SSSR zhruba dva a půl roku (od prvního kritického reaktoru po bombardování) .

V termonukleárních zbraních

Pouzdro zařízení „Klobása“ bomby Ivy Mike H , připojené k přístrojovému a kryogennímu vybavení. 20 stop vysoká bomba obsahovala kryogenní Dewarovu baňku s prostorem pro 160 kg tekutého deuteria.

62-ton Ivy Mike přístroj postavený ve Spojených státech a explodovala dne 1. listopadu 1952, byl prvním zcela úspěšné „ vodíková bomba “ (termonukleární bomba). V této souvislosti to byla první bomba, ve které většina uvolněné energie pocházela ze stupňů jaderné reakce, které následovaly po primárním stádiu jaderného štěpení atomové bomby . Bomba Ivy Mike byla spíše tovární stavbou než doručitelnou zbraní. Ve svém středu, velmi velká válcová izolovaná vakuová baňka nebo kryostat , obsahovala kryogenní kapalné deuterium v ​​objemu asi 1000 litrů (hmotnost 160 kilogramů, pokud by byl tento objem zcela naplněn). Poté byla konvenční atomová bomba („primární“) na jednom konci bomby použita k vytvoření podmínek extrémní teploty a tlaku, které byly potřebné ke spuštění termonukleární reakce .

Během několika let byly vyvinuty takzvané „suché“ vodíkové bomby, které nepotřebovaly kryogenní vodík. Z uvolněných informací vyplývá, že všechny od té doby vyrobené termonukleární zbraně obsahují ve svých sekundárních stupních chemické sloučeniny deuteria a lithia. Materiál, který obsahuje deuterium, je většinou deuterid lithný , přičemž lithium se skládá z izotopu lithium-6 . Když je lithium-6 bombardováno rychlými neutrony z atomové bomby, vzniká tritium (vodík-3) a poté se deuterium a tritium rychle zapojí do termojaderné fúze a uvolní hojnou energii, helium-4 a ještě více volných neutronů .

Moderní výzkum

V srpnu 2018 vědci oznámili transformaci plynného deuteria na tekutou kovovou formu . To může vědcům pomoci lépe porozumět obřím plynným planetám , jako je Jupiter, Saturn a související exoplanety , protože se předpokládá, že tyto planety obsahují velké množství tekutého kovového vodíku, který může být zodpovědný za jejich pozorovaná silná magnetická pole .

Data pro elementární deuterium

Vzorec: D 2 nebo2
1
H
2

  • Hustota: 0,180 kg/m 3 při STP (0 ° C ,101,325 kPa ).
  • Atomová hmotnost: 2,014 101 7926  u .
  • Průměrné množství v mořské vodě (z VSMOW ) 155,76 ± 0,1 ppm (poměr 1 díl na přibližně 6420 dílů), tj.0,015% atomů ve vzorku (podle počtu, ne podle hmotnosti)

Data přibližně 18 K pro D 2 ( trojitý bod ):

  • Hustota:
    • Kapalina: 162,4 kg/m 3
    • Plyn: 0,452 kg/m 3
  • Viskozita: 12,6  μPa · s při300 K (plynná fáze)
  • Specifická tepelná kapacita při konstantním tlaku c p :
    • Pevný: 2950 J/(kg · K)
    • Plyn: 5200 J/(kg · K)

Antideuterium

Antideuteron je antihmota protějšek jádra deuteria, skládající se z antiproton a antineutronu . Antideuteron byl poprvé vyroben v roce 1965 v protonovém synchrotronu v CERN a synchrotronu s alternativním gradientem v Brookhaven National Laboratory . Kompletní atom s pozitronem obíhajícím kolem jádra by se nazýval antideuterium , ale od roku 2019 ještě nebylo vytvořeno. Navrhovaný symbol pro antideuterium je
D
, to znamená, D s přesahem.

Viz také

Reference

externí odkazy


Zapalovač:
vodík-1
Deuterium je
izotop z vodíku
Těžší:
Tritium
Produkt rozpadu :
-
Rozpad řetězce
deuteria
Rozkládá se na:
Stabilní