Дейтерий
-
Дейтерий: основные сведения
- Дейтерий (2H) — изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном.
- Естественное содержание дейтерия в океанах Земли составляет около 0,0156% по количеству и 0,0312% по массе.
- Дейтерий был открыт Гарольдом Юри в 1931 году и получил Нобелевскую премию в 1934 году.
-
Химические и спектроскопические различия
- Дейтерий имеет большую массу (2,014102 Да) по сравнению с протием (1,007825 Да).
- В спектроскопии дейтерий имеет более короткие длины волн и более высокую приведенную массу.
- В ЯМР дейтерий имеет другую частоту и менее чувствителен.
-
Роль в нуклеосинтезе Большого взрыва
- Дейтерий сыграл важную роль в определении количества и соотношения элементов после Большого взрыва.
- Дейтериевое узкое место задержало образование гелия до тех пор, пока Вселенная не остыла.
- Дейтерий сохраняется во внешней атмосфере Солнца и других звезд, что подтверждает теорию Большого взрыва.
-
Изобилие и распространение
- Дейтерий встречается в природе в виде газообразного дейтерия и дейтерида водорода.
- Природная вода содержит дейтерированные молекулы, почти все в виде полутяжелой воды HDO.
- Дейтерий сохраняется в атмосфере Солнца и других планет, что подтверждает его первичное происхождение.
-
Космологические выводы
- Наблюдаемые соотношения водорода, гелия и дейтерия трудно объяснить иначе, чем с помощью модели Большого взрыва.
- Содержание дейтерия в атмосфере существенно не изменилось с момента его образования около 13,8 миллиардов лет назад.
-
Содержание дейтерия в космосе
- В космосе, удаленном от Солнца, содержание дейтерия составляет 15 атомов на миллион.
- В атмосфере Юпитера содержание дейтерия составляет 26 атомов на миллион атомов водорода.
- Кометы, такие как комета Хейла-Боппа, содержат больше дейтерия, чем ожидалось.
-
Производство дейтерия
- Дейтерий получают из обычной воды с помощью сульфидного процесса Гердлера.
- Ведущим поставщиком дейтерия была компания Atomic Energy of Canada Limited.
- Индия также является крупным производителем тяжелой воды.
-
Свойства дейтерия
- Дейтерий имеет более высокую температуру плавления и кипения, чем водород.
- Дейтерий образует тяжелую воду, которая на 10,6% плотнее обычной воды.
- Тяжелая вода токсична для эукариотических организмов, но не опасна для человека в обычных условиях.
-
Квантовые и ядерные свойства
- Дейтрон имеет спин +1 и является бозоном.
- Дейтерий — один из пяти стабильных нуклидов с нечетным числом протонов и нейтронов.
- Дейтерий может быть диссоциирован посредством взаимодействия нейтрального тока с нейтрино.
-
Структура и свойства дейтерия
- Дейтерий состоит из двух нуклонов: протона и нейтрона.
- Дейтрон антисимметричен по изоспину и симметричен по четности.
- Основное состояние дейтерия имеет спин 1 и четную четность.
-
Магнитные и электрические мультиполи
- Магнитный дипольный момент дейтерия составляет 0,857 МКН.
- Электрический диполь равен нулю, но электрический квадруполь составляет 0,2859 э·фм2.
-
Применение в ядерных реакторах
- Дейтерий используется в реакторах деления для замедления нейтронов.
- В термоядерных реакторах дейтерий используется в сочетании с тритием.
-
Применение в ЯМР-спектроскопии
- Дейтерий используется для получения информации об окружении дейтрона.
- Дейтерированные растворители применяются для измерения спектров ЯМР.
-
Применение в масс-спектрометрии
- Дейтерированные соединения используются как внутренние стандарты в масс-спектрометрии.
- Дейтерий получают с помощью реакций обмена изотопами водорода.
-
Применение в трассировке
- Дейтерий используется как нерадиоактивный изотопный индикатор.
- Дейтерий можно обнаружить с помощью фемтосекундной инфракрасной спектроскопии.
-
Содержание тяжелых изотопов в дождевой воде
- Зависит от температуры окружающей среды и широты
- Обогащение падает вдоль глобальной линии метеоритной воды
- Позволяет идентифицировать образцы воды и климат
-
Испарительные процессы и изотопы
- Изменяют соотношение тяжелых изотопов в пресных и соленых водах
- Соотношение 2H к 1H обозначается дельтой δ2H
- Изоскейпы отображают географические зависимости
-
Стабильные изотопы в растениях и животных
- Анализ соотношения изотопов помогает определить происхождение
-
Методы рассеяния нейтронов
- Дейтерированные образцы улучшают контраст
- Дейтерий снижает шум рассеяния
-
Ядерное оружие и дейтерий
- Для синтеза водорода требуется тяжелый водород
- Дейтерированные препараты имеют более длительный период полураспада
-
Дейтерированные питательные вещества
- Укрепляют С-Н-связи в незаменимых питательных веществах
- Дейтерированный этиловый эфир линолевой кислоты проходит клинические испытания
-
Термостабилизация и циркадные колебания
- Дейтерий стабилизирует живые вакцины
- Увеличивает период циркадных часов у животных
-
История открытия дейтерия
- Подозрение на изотопы легких элементов в 1913 году
- Обнаружение дейтерия в 1931 году Гарольдом Юри
- Нобелевская премия Юри в 1934 году
-
Эксперименты с тяжелой водой во время Второй мировой войны
- Германия использовала тяжелую воду для замедления нейтронов
- Норвежский саботаж тяжелой водой предотвратил развитие немецкой ядерной программы
-
Термоядерное оружие
- Ivy Mike стала первой успешной водородной бомбой в 1952 году
- Использовала криогенный жидкий дейтерий для запуска термоядерной реакции
-
Термоядерное оружие и его компоненты
- Все термоядерное оружие содержит химические соединения дейтерия и лития.
- Дейтерид лития является основным материалом, содержащим дейтерий.
- Литий-6 используется для образования трития при бомбардировке быстрыми нейтронами.
- Дейтерий и тритий вступают в термоядерный синтез, высвобождая энергию и гелий-4.
-
Современные виды термоядерного оружия
- «Чистое» термоядерное оружие устарело.
- Современные виды термоядерного оружия обеспечивают лишь малую долю энергии за счет термоядерного синтеза.
- Расщепление урана-238 быстрыми нейтронами увеличивает выделение энергии.
-
Современные исследования
- В 2018 году ученые превратили газообразный дейтерий в жидкую металлическую форму.
- Это может помочь понять газовые планеты-гиганты, такие как Юпитер и Сатурн.
-
Антидейтерий
- Антидейтрон — аналог ядра дейтерия из антивещества.
- Антидейтрон был получен в 1965 году.
- Полноценный атом антидейтерия еще не создан.
- Предлагаемый символ антидейтерия — D.