Введение

Водород с различным количеством нейтронов

Водород (1H) имеет три природных изотопа, иногда обозначаемых водород-1, водород-2 и водород-3. Водород-1 и водород-2 стабильны, в то время как водород-3 имеет период полураспада 12,32 года. Существуют также более тяжёлые изотопы, все из которых являются искусственными и имеют период полураспада менее одной цептосекунды (10−21 с). Из них водород-5 наименее стабилен, а водород-7 – наиболее. Водород – единственный элемент, изотопы которого имеют собственные названия, широко используемые и сегодня: изотоп водород-2 (или водород 2) – дейтерий, а изотоп водород-3 (или водород 3) – тритий. Символы D и T иногда используются для дейтерия и трития. IUPAC признаёт символы D и T, но рекомендует использовать стандартные изотопные обозначения (водород-2 и водород-3) для избежания путаницы при алфавитной сортировке химических формул. Изотоп водород-1, не содержащий нейтронов, может называться протием для уточнения. (В период ранних исследований радиоактивности некоторые другие тяжёлые радиоактивные изотопы также получали названия, но эти названия сейчас используются редко.)

Водород-2 (деутерий)

Водород-2 (атомная масса 2.014101777844), другой стабильный изотоп водорода, известен как дейтерий и содержит один протон и один нейтрон в своем ядре. Ядро дейтерия называется дейтроном. Дейтерий составляет 0,0026–0,0184% (26 ppm или 184 ppm; по численности атомов, а не по массе) образцов водорода на Земле, при этом более низкое значение обычно встречается в образцах газообразного водорода, а более высокое обогащение (0,015% или 150 ppm) характерно для океанской воды. Дейтерий на Земле обогащен по сравнению с его начальной концентрацией в Большом взрыве и во внешней Солнечной системе (около 27 ppm, по атомной доле) и его концентрацией в старых частях галактики Млечный Путь (около 0,0023%, или 23 ppm). Предполагается, что разностная концентрация дейтерия во внутренней Солнечной системе обусловлена меньшей летучестью дейтерия и его соединений, что приводит к обогащению дейтерием в кометах и планетах, подвергающихся значительному нагреву от Солнца в течение миллиардов лет эволюции Солнечной системы. Дейтерий не является радиоактивным и не представляет значительной токсикологической опасности. Вода, обогащенная молекулами, содержащими дейтерий вместо протия, называется тяжелой водой. Дейтерий и его соединения используются в качестве нерадиоактивной метки в химических экспериментах и в качестве растворителей для ядерного магнитного резонанса водорода-1. Тяжелая вода используется в качестве замедлителя нейтронов и охлаждающей жидкости для ядерных реакторов. Дейтерий также является перспективным топливом для коммерческого ядерного синтеза.

Водород-3 (тритий)

Водород-3 (атомная масса 3,016049281320) известен как тритий и содержит один протон и два нейтрона в своем ядре. Он радиоактивен и распадается на гелий-3 посредством β−-распада с периодом полураспада 12,32 года. В термоядерном синтезе дейтерий-тритиевая реакция использует тритий в качестве основного реагента, наряду с дейтерием, высвобождая энергию за счет потери массы при столкновении и слиянии этих ядер при высоких температурах.

Водород-4

Водород-4 (атомная масса 4.02643) содержит один протон и три нейтрона в своем ядре. Это крайне нестабильный изотоп водорода. Он был синтезирован в лабораторных условиях путем бомбардировки трития быстродвижущимися ядрами дейтерия. В ходе этого эксперимента ядро трития захватило нейтрон от быстродвижущегося ядра дейтерия. О присутствии водорода-4 заключили по обнаружению испущенных протонов. Он распадается посредством эмиссии нейтрона в водород-3 (тритий) с периодом полураспада 139 (или 1,39e 22) секунд. В сатирическом романе 1955 года "Мышь, которая ревела" изотопу водорода-4 было дано название "квадиум", и он использовался в качестве источника энергии для бомбы Q, захваченной герцогством Гранд-Фенвик у Соединенных Штатов.

Водород-5

Водород-5 (атомная масса 5.03531) — крайне нестабильный изотоп водорода. Его ядро состоит из одного протона и четырёх нейтронов. Он был синтезирован в лабораторных условиях путём бомбардировки трития быстродвижущимися ядрами трития. В ходе этого эксперимента одно ядро трития захватывает два нейтрона от другого, превращаясь в ядро, содержащее один протон и четыре нейтрона. Вылетевший протон может быть зарегистрирован, что позволяет сделать вывод о существовании водорода-5. Он распадается посредством двойного испускания нейтронов, образуя водород-3 (тритий), и имеет период полураспада, равный 86 (8.6e-23) — самый короткий период полураспада из всех известных нуклидов.

Водород-6

Водород-6 (атомная масса 6.04496) состоит из одного протона и пяти нейтронов. Его период полураспада составляет 294 (2,94e+22) секунды.

Водород-7

Водород-7 (атомная масса 7.05275) состоит из протона и шести нейтронов. Впервые он был синтезирован в 2003 году группой российских, японских и французских ученых на фабрике радиоактивных изотопов RIKEN путем бомбардировки водорода атомами гелия-8. В результате реакции все шесть нейтронов гелия-8 были переданы ядру водорода. Два оставшихся протона были обнаружены с помощью "телескопа RIKEN" – устройства, состоящего из нескольких слоев датчиков, расположенных за мишенью циклотрона RI Beam. Период полураспада водорода-7 составляет 652 (6.52e-22).

Цепи разложения

Большинство изотопов тяжелого водорода распадаются непосредственно в тритий (водород-3), который затем распадается в стабильный изотоп гелий-3. Распад самых тяжелых изотопов, водорода-6 и водорода-7, экспериментально не наблюдался. Время распада всех этих изотопов, за исключением трития, измеряется в йоктосекундах (e=24), а время распада трития – в годах.