Изото́пы водоро́да — разновидности атомов (и ядер) химического элемента водорода, имеющие разное количество нейтронов в ядре. На данный момент известны 7 обычных изотопов водорода, а также один экзотический атом водород-4.1 (мюоний, 4He-μ).

Наиболее распространённым изотопом водорода в природе является протий 1H (99,984 %). Другой изотоп водорода, дейтерий 2H (или D), несмотря на малую распространённость в природе (0,0156 %) играет чрезвычайно важную роль в химических исследованиях. Например, дейтерийсодержащие соединения используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Особенно важны дейтерированные препараты (соединения с так называемыми дейтериевыми метками) при изучении реакций с участием атомов водорода.

Третий из наиболее распространённых изотопов водорода — тритий, обозначаемый T или 3H, — является радиоактивным с периодом полураспада 12,3 года. Все остальные радиоизотопы имеют короткие периоды полураспада, много меньше миллисекунды.

Открытие и изучение Изучение стабильных изотопов водорода началось с открытия дейтерия химиком Гарольдом Юри, исследования изотопов водорода принесли Юри Нобелевскую премию по химии 1934 года.

В 1934 году учёные Эрнест Резерфорд, Марк Олифант и Пауль Хартек получили радиоизотоп трития (водород-3, H) . Луис Вальтер Альварес и впервые выделили тритий и предположили его радиоактивность. Физико-химик Уиллард Либби обнаружил остаточную радиоактивность образца трития с помощью счётчика Гейгера, что позволило получить более точное представление о периоде его полураспада (12,3 года) .

Открытие изотопов водорода также оказало влияние на физику в 1940-х годах, когда была впервые изобретена спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Было обнаружено, что все три изотопа водорода обладают магнитными свойствами.

Тритий оказался необходим для ядерного оружия . Учёные начали изучать ядерную энергию ещё в 1800-х годах, но значительные успехи были достигнуты в исследованиях атомной бомбы в начале 1940-х годов (Манхэттенский проект).

В смесь H и H нагревается до тех пор, пока не произойдет термоядерный синтез с образованием гелия и свободных нейтронов. Первая настоящая усиленная ядерная бомба, , была успешно испытана в 1952 году. Соединённые Штаты прекратили производство трития в ядерных реакторах в 1988 году.

В биогеохимии дейтерий является индикатором экологических процессов, особенно круговорота воды. , бывший аспирант Юри, обнаружил взаимосвязь между изотопными соотношениями водорода и кислорода в дождевой воде. Линейная корреляция между двумя тяжёлыми изотопами наблюдается во всём мире и называется . К концу 1960-х годов фокус исследований изотопов водорода сместился с воды на органические молекулы. Был проанализирован изотопный состав водорода при превращении воды в биомассу, биомассы в уголь и нефть, а нефти в природный газ.

Исследования целлюлозы и метана в 1970-х и 1980-х годах установили стандарт для современной водорода.

Достижения в масс-спектрометрии сделало возможным измерение отдельных соединений в конце 1990-х и начале 2000-х годов.

Изотопы водорода находят применение: в нефтехимии (измерение нефти), палеоклиматологии (наблюдение липидных биомаркеров) и экологии (построение трофической динамики).

Образование изотопов водорода

Протий—самый распространённый нуклид во Вселенной. Образовался на самых ранних этапах после Большого взрыва во время первичного нуклеосинтеза. Когда первичный нуклеосинтез завершился, большая часть протонов — ядер водорода — осталась в свободном состоянии, составив 75 % барионной массы Вселенной.

Дейтерий, как и протий, образовался на очень ранней стадии истории Вселенной. По наблюдательным данным относительное содержаниеОтносительное содержание — отношение количества частиц данного изотопа к количеству частиц водорода дейтерия составило 2,5.

Тритий также образовался , но в результате радиоактивного распада превратился в гелий-3 :. Сегодняшний тритий не может быть результатом нуклеосинтеза, из-за короткого периода полураспада (12,3 года). Концентрация трития сегодня определяется ядерными реакциями и космическими лучами.

Квантовые свойства H — субатомная частица, спин 1/2, следовательно и относится к фермионам, наряду с нейтронами, электронами, тритием. Фермионы подчиняются принципу Паули (никакие две частицы не могут иметь одинаковые квантовые числа). Однако бозоны (дейтерий, фотоны) не связаны принципом исключения, и несколько частиц могут занимать одно и то же энергетическое состояние. Это фундаментальное различие между протием и дейтерием проявляется во многих физических свойствах. Дейтерий, как частица с целочисленным спином, подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна, протий, как фермионы с полуцелыми спинами — статистике Ферми-Дирака. Волновые функции, описывающие несколько фермионов, должны быть антисимметричны относительно обменивающихся частиц, для бозонов — симметричны. Поскольку бозоны неразличимы и могут занимать одно и то же состояние, совокупности бозонов ведут себя совершенно иначе, чем фермионы при более низких температурах. По мере охлаждения бозонов и их релаксации до состояния с наименьшей энергией возникают такие явления, как сверхтекучесть и сверхпроводимость.

Таблица изотопов водорода Символ нуклида Название Z(p) N(n) Масса изотопаДанные приведены по (а. е. м.) Период полураспадаДанные приведены по (T1/2) Канал распада Продукт распада Спин и чётность ядра Распространённость изотопа в природе Диапазон изменения изотопной распространённости в природе 1H Протий 1 0 Стабилен 1/2+ — 2H Дейтерий 1 1 Стабилен 1+ — 3H Тритий 1 2 β− 3He 1/2+ Следовые количества 4H 1 3 n 3H 2− 5H 1 4 2n 3H (1/2+)6H15 3n 3H2−# n 5H 7H 1 6 # 4n 3H 1/2+# Изотопы гелия → Пояснения к таблице Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться. Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбуждённые изомерные состояния нуклида. Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Значения, помеченные решёткой (#), получены не только из экспериментальных данных, но и (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями и ). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки. Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: запись означает ; запись означает ; запись означает .

Примечания