Izotopy vodíku

Vodík (H) má tři přírodní izotopy označované ¹H, ²H a ³H. První dva jsou stabilní, ³H má poločas přeměny 12,32 let. Všechny těžší izotopy byly připraveny uměle a mají poločas kratší než 1 zeptosekunda (10⁻²¹ s). Z nich je nejstabilnější ⁵H a nejméně stabilní ⁷H.^[1][2]

Vodík je jediný prvek, jehož izotopy mají „triviální“ názvy, které jsou stále běžně používány. ²H je často nazýván deuterium nebo těžký vodík a ³H má pojmenování tritium nebo velmi těžký vodík. Nejjednodušší izotop vodíku, který nemá v jádru neutrony, se nazývá protium.

Vodík-1 (protium)

¹H (hmotnost atomu 1,007 825 04(7) u) je nejběžnější izotop vodíku, zaujímá více než 99,98 % vodíkových atomů v přírodě. Protože se jeho jádro skládá pouze z protonu, nazývá se také protium.

Rozpad protonu nebyl nikdy pozorován a vodík-1 je tedy považován za stabilní nuklid. Podle některých teorií velkého sjednocení navržených v 70. letech 20. století by se měl rozpadat s poločasem 10³¹ až 10³⁶ let. Pokud je tato předpověď pravdivá, pak by byl vodík-1 (a všechna další atomová jádra) pouze pozorovatelně stabilní.

Vodík-2 (deuterium)

²H (hmotnost atomu 2,013 553 212 724(78) u), další stabilní izotop, je známý jako deuterium a v jádru má jeden proton a jeden neutron. Jádro deuteria se nazývá deuteron. Deuterium zaujímá 0,002 6 až 0,018 4 procent přírodního vodíku (podle počtu atomů), největší výskyt bývá obvykle v mořské vodě. Toto zastoupení je větší, než je ve vesmíru obvyklé (kolem 27 ppm). Jeho vyšší koncentrace ve vnitřní sluneční soustavě je způsobena nižší těkavostí ²H a jeho sloučenin oproti ¹H; kvůli vyšší molární hmotnosti se totiž pomaleji vypařovaly působením slunečního záření.

Pro tento izotop se někdy používá chemická značka D.

Deuterium není radioaktivní ani toxické. Voda obohacená o molekuly s deuteriem místo protia se nazývá těžká voda (D₂O). Existuje rovněž polotěžká voda (HDO), jejíž molekula má deuteriem nahrazený jen jeden atom protia. Sloučeniny deuteria se používají jako rozpouštědla v NMR spektroskopii. Těžká voda slouží jako moderátor neutronů a chladivo jaderných reaktorů. Deuterium je také možným zdrojem energie v komerční jaderné fúzi.

Vodík-3 (tritium)

³H (hmotnost atomu 3,016 049 2  u) se také nazývá tritium a v jeho jádru (nazývaném triton) se nachází proton a dva neutrony. Někdy se pro něj používá značka T. Je radioaktivní, podléhá beta minus přeměně s poločasem 12,32 let.^[3]

V malém množství se vyskytuje v přírodě, neboť vzniká reakcí kosmického záření s plyny v atmosféře. Tritium bylo rovněž uvolněno při testech jaderných zbraní. Použití nalézá v izotopové geochemii, termonukleárních zbraních a jako trvalý zdroj světla. S kyslíkem vytváří tritiovou (supertěžkou) vodu.

Nejčastěji se tritium vyrábí z přírodního izotopu lithia, lithia-6 reakcí s neutrony v jaderném reaktoru.

V deuterium-tritiové fúzi se tritium společně s deuteriem využívá k získávání energie skrz úbytek hmotnosti při srážce a následné fúzi za vysoké teploty.

Vodík-4

⁴H (hmotnost atomu 4,026 43(11) u) má v jádru tři neutrony. Jedná se o velmi nestabilní umělý radioizotop, který byl připraven v laboratoři bombardováním tritia rychlými jádry deuteria (pomalá jádra by se sloučila na rovněž velmi nestabilní ⁵He).^[4] V tomto experimentu tritiové jádro zachytilo neutron z rychlého deuteronu. Přítomnost vodíku-4 byla odvozena z detekce zbylého protonu.^[5]

Jde o nejlehčí z tzv. těžkých izotopů vodíku, tedy s neutronovým číslem vyšším než 2.

⁴H se rozpadá vyzářením neutronu za vzniku tritia, s poločasem přeměny 1,39±0,10×10⁻²² s.^[6]

 3
1 H +  2
1 H →  4
1 H +  1
1 H

Vodík-5

⁵H je vysoce nestabilní umělý radioizotop vodíku, jeho jádro obsahuje 4 neutrony. Byl připraven v laboratoři bombardováním tritia rychlými jádry tritia.^[4][7] V tomto experimentu tritiové jádro zachytilo dva neutrony z rychlého tritonu a stává se jádrem s jedním protonem a čtyřmi neutrony. Přítomnost vodíku-5 byla odvozena z detekce zbylého protonu.

Jde o jeden z tzv. těžkých izotopů vodíku, tedy s neutronovým číslem vyšším než 2.

⁵H se rozpadá dvojitým vyzářením neutronu za vzniku tritia, s poločasem přeměny nejméně 9,1×10⁻²² s.^[6]

2  3
1 H →  5
1 H +  1
1 H.

Vodík-6

⁶H je umělý radioizotop vodíku, který se rozpadá trojitým vyzářením neutronu na tritium nebo čtyřnásobným na deuterium s poločasem přeměny 2,9×10⁻²² s.^[6]

Jde o jeden z tzv. těžkých izotopů vodíku, tedy s neutronovým číslem vyšším než 2.

Vodík-7

⁷H je umělý radioizotop vodíku, který se skládá z protonu a šesti neutronů. Poprvé byl syntetizován roku 2003 skupinou ruských, japonských a francouzských vědců v laboratořích RIKEN bombardováním vodíku atomy helia-8, kdy všech 6 neutronů bylo předáno vodíku.^[2]

Vodík-7 se rozpadá s poločasem přeměny 2,3×10⁻²³ s.^[6]

Jde o jeden z tzv. těžkých izotopů vodíku, tedy s neutronovým číslem vyšším než 2.

Rozpadové řady

Většina radioizotopů vodíku se přeměňuje přímo na tritium, jež se následně mění na stabilní helium-3.

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{3}H} \ \xrightarrow {\ \mathrm {12,32\ r} } \ \mathrm {{}_{2}^{3}He} +\mathrm {^{\ \ 0}_{-1}e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{4}H} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {139\ ys} }}\ \mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{5}H} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {>910\ ys} }}\ \mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {2{}_{0}^{1}n} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{6}H} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {290\ ys} }}\ \mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {3{}_{0}^{1}n} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{6}H} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {290\ ys} }}\ \mathrm {{}_{1}^{2}H} +\mathrm {4{}_{0}^{1}n} }$

Poločas přeměny ³H je vyjádřen v rocích, u ostatních izotopů v yoctosekundách (10⁻²⁴ s).

${\displaystyle \mathrm {{}_{1}^{7}H} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {23\ ys} }}\ \mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {4{}_{0}^{1}n} }$

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Isotopes of hydrogen na anglické Wikipedii.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu izotopy vodíku na Wikimedia Commons