Βικιπαίδεια

Δευτέριο

Δευτέριο

Γενικά
Όνομα, Σύμβολο δευτέριο,2D, 2H
Νετρόνια 1
Πρωτόνια 1
Πληροφορίες νουκλεϊδίου
Αφθονία στη φύση 0,0156% (Γη)
Ημιζωή σταθερό
Μάζα ισότοπου 2,01410178 u
Σπιν 1+
Ενέργεια δεσμών 2.224,52±0,20 keV keV

Το δευτέριο ή υδρογόνο-2 (σύμβολο D ή ²H, επίσης γνωστό ως βαρύ υδρογόνο) είναι το ένα από δύο (2) σταθερά ισότοπα του υδρογόνου. Η φυσική του αφθονία στους ωκεανούς της Γης είναι περίπου 1 άτομο δευτερίου ανά 6.420 άτομα υδρογόνου-1 (που ονομάζεται και «πρώτιο»). Έτσι, το δευτέριο αντιπροσωπεύει περίπου το 0,0156% (ή 0,0312% κατά μάζα) του συνόλου του φυσικά υπάρχοντος υδρογόνου στους ωκεανούς, ενώ το πιο κοινό ισότοπο, το πρώτιο αντιπροσωπεύει μια αφθονία πάνω από 99,98%. Η αφθονία του δευτερίου αλλάζει ελαφρά από το ένα είδος φυσικού νερού σε άλλο.

Ο πυρήνας του δευτερίου, που ονομάζεται «δευτερόνιο», περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, ενώ ο αντίστοιχος του πολύ πιο άφθονου πρώτιου δεν περιέχει κανένα νετρόνιο. Το όνομα του δευτερίου σχηματίστηκε από την ελληνική λέξη «δεύτερος», που δηλώνει ότι ο πυρήνας του περιέχει δύο (2) σωματίδια[1]. Το δευτέριο ανακαλύφθηκε το 1931 από τον Χάρολντ Ούρεϋ (Harold Urey), που έτσι κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ το 1934. Η ανακάλυψη αυτή ακολουθήθηκε από την ανακάλυψη του νετρονίου, το 1932, που έκανε την πυρηνική δομή του δευτερίου προφανή. Σύντομα μετά την ανακάλυψη του δευτερίου, ο Ούρευ και άλλοι παρασκεύασαν δείγματα του βαρέος ύδατος, στο οποίο το δευτέριο έχει υψηλότερη συγκέντρωση δευτερίου (ως και 100% στο «καθαρό βαρύ ύδωρ») από ότι στο φυσικό νερό.

Επειδή το δευτέριο καταστρέφεται στο εσωτερικό των άστρων ταχύτερα απ' ό,τι παράγεται, και επειδή άλλες φυσικές διεργασίες παράγουν μόνο ασήμαντες (σχετικά) ποσότητες δευτερίου, θεωρείται ότι σχεδόν όλο το δευτέριο που βρίσκεται στη φύση παράχθηκε από τη Μεγάλη Έκρηξη, πριν περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Επίσης θεωρείται ότι η βασική φυσική αναλογία ισοτόπων (περίπου 26 άτομα δευτερίου ανά εκατομμύριο ατόμων υδρογόνου), προέρχεται επίσης από εκείνη την εποχή. Η ίδια ισοτοπική αναλογία βρέθηκε και στους αεριώδεις γιγαντιαίους πλανήτες, όπως ο Δίας. Ωστόσο, διαφορετικά αστρονομικά σώματα βρέθηκαν να έχουν διαφορετικές ισοτοπικές αναλογίες, που αποδίδεται στο φυσικό ισοτοπικό διαχωρισμό που συμβαίνει όταν η ηλιακή θερμότητα λιώνει τους πάγους των κομητών. Ομοίως, ο κύκλος του νερού στη Γη, ίσως εμπλουτίζει (αργά και σταδιακά) το δευτέριο στους ωκεανούς του πλανήτη μας, σε βάρος του πρώτιου. Στην πραγματικότητα, η ισοτοπική αναλογία δευτερίου/πρωτίου σε έναν αριθμό κομητών είναι παρόμοιος με την αντίστοιχη μέση αναλογία στους ωκεανούς της Γης (156) άτομα δευτερίου ανά εκατομμύριο ατόμων υδρογόνου). Το γεγονός αυτό οδήγησε σε θεωρίες σύμφωνα με τις οποίες μεγάλο μέρος από το νερό των ωκεανών της Γης προήλθε από κομήτες (που έπεσαν πάνω της)[2][3] .

Οι ισοτοπικές αναλογίες δευτερίου/πρωτίου συνεχίζουν έτσι να αποτελούν πεδίο έρευνας τόσο για την Αστρονομία, όσο και για την Κλιματολογία.

Διαφορές με το πρώτιο

Επεξεργασία
 
Σωλήνας εκφόρτησης υδρογόνου.
 
Σωλήνας εκφόρτησης δευτερίου

Χημικό σύμβολο

Επεξεργασία

Το δευτέριο συχνά παριστάνεται με το χημικό σύμβολο D. Ακόμη, επειδή είναι ένα ισότοπο του υδρογόνου με μαζικό αριθμό 2, παριστάνεται επίσης ως ²H. Η IUPAC επιτρέπει τη χρήση και των δύο συμβόλων αν και προτείνει το συμβολισμό ²H.[4] Από την άλλη όμως η χρήση του πιο διακριτού συμβόλου D είναι βολική σε διάφορες χημικές διεργασίες.

Μοριακή μάζα

Επεξεργασία

Υπάρχει μεγάλη διαφορά σε όσα αφορούν τη μοριακή μάζα των δύο ισοτόπων, αφού η ισοτοπική μάζα του πρωτίου είναι 1,007825 amu και η ισοτοπική μάζα του δευτερίου είναι 2,014102 amu, ενώ το ατομικό βάρος του υδρογόνου συνολικά είναι 1,007947 amu. Αυτή η σημαντική διαφορά ισοτοπικού βάρους έχει διάφορες συνέπειες ασυμφωνίας ορισμένων ιδιοτήτων μεταξύ χημικών ειδών που περιέχουν μόνο πρώτιο, εκείνων που περιέχουν και τα δύο ισότοπα και εκείνων που περιέχουν μόνο δευτέριο. Η ασυμφωνία αυτή είναι σχετικά σημαντική, ενώ η αντίστοιχη ασυμφωνία μεταξύ των διαφορετικών ισοτοπικών ειδών άλλων χημικών στοιχείων είναι συνήθως ασήμαντη, γιατί και η σχετική διαφορά ισοτοπικής μάζας για τα ισότοπα των άλλων χημικών στοιχείων είναι από πολύ μικρότερη έως μηδαμινή. Συγκεκριμένα, η σχετική διαφορά ισοτοπικής μάζας πρωτίου δευτερίου είναι (2,014102-1,007825)/1,007825 = 99,8464%. Η αντίστοιχη σχετική διαφορά ισοτοπικής μάζας των ισοτόπων 3He και 4He είναι (4.002602-3.0160293)/3.0160293) = 32,71097%. Για τα υπόλοιπα χημικά στοιχεία ισχύουν ακόμη μικρότερες σχετικές διαφορές ισοτοπικής μάζας.

Φασματοσκοπία

Επεξεργασία

Σύμφωνα μη την κβαντομηχανική τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων των ατόμων εξαρτώνται από την ανηγμένη μάζα του έκαστου συστήματος ηλεκτρονίου - [πυρήνα + υπόλοιπα ηλεκτρόνια (αν υπάρχουν)]. Ειδικά για το άτομο του υδρογόνου, ο ρόλος της ανηγμένης μάζας φαίνεται απλά στο ατομικό πρότυπο Μπορ, όπου η ανηγμένη μάζα εμφανίζεται σε έναν απλό υπολογισμό της σταθεράς Ράιντμπεργκ (Rydberg constant) και της σχέσης Ράιντμπεργκ, αλλά επίσης στη σχέση Σρέντινγκερ και στη σχέση Ντιράκ.

Η ανηγμένη μάζα του συστήματος σε αυτές τις σχέσεις είναι κοντά στη μάζα ενός απλού ηλεκτρονίου, αλλά διαφέρει κατά μια μικρή ποσότητα, περίπου ίση με την αναλογία μάζας ανάμεσα σε ένα ηλεκτρόνιο και και την πυρηνική μάζα. Για το πρώτιο, αυτή η διαφορά είναι 1837/1836 = 1,00545, ενώ για το δευτέριο είναι ακόμη μικρότερη και συγκεκριμένα 3671/3670 = 1,000272. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, οι φασματοσκοπικές γραμμές για το δευτέριο και για το πρώτιο διαφέρουν κατά την αναλογία μεταξύ των δύο (2) παραπάνω αριθμών, που ισούται (περίπου) με τον αριθμό 1,000272. Τα μήκη κύματος των φασματοσκοπικών γραμμών είναι βραχύτερα για το δευτέριο έναντι των αντίστοιχων του πρωτίου, κατά τον παράγοντα 1,000272. Στην αστρονομική παρατήρηση, αυτή διαφορά αντιστοιχεί σε μια μπλε μετατόπιση Ντόπλερ κατά 0,000272 · c = 81,6 km/s.[5]

Οι διαφορές είναι πολύ πιο έντονες στη φασματοσκοπία ταλάντωσης, που αντιστοιχεί στη φασματοσκοπία υπερύθρου και στη φασματοσκοπία Ράμαν[6], καθώς επίσης και στη φασματοσκοπία περιστροφής, που αντιστοιχεί στη φασματοσκοπία μικροκυμάτων, γιατί αυτές εξαρτώνται περισσότερο από τις ανηγμένες μάζες. Στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού το δευτέριο έχει πολύ διαφορετικές συχνότητες συντονισμού (π.χ. 61 MHz για το δευτέριο έναντι 450 MHz αντίστοιχης του πρωτίου), αλλά είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητες σε όσα αφορούν τη σχετική θέση του ατόμου του δευτερίου σε ένα μεγαλύτερο μόριο. Έτσι, προτιμούνται συνήθως δευτεριωμένοι διαλύτες για τη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού δευτερίου, με σκοπό να αποφεύγεται η αλληλεπικάλυψη των συχνοτήτων των ερευνούμενου δείγματος και των συχνοτήτων του διαλύτη, ενώ είναι επίσης δυνατή η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού δευτερίου (στην οποία φυσικά και υπάρχει αλληλεπικάλυψη αν χρησιμοποιηθεί δευτεριωμένος διαλύτης για το δείγμα).

Πυρηνοσύνθεση

Επεξεργασία
Κύριο λήμμα: Πυρηνοσύνθεση Μεγάλης Έκρηξης

Το δευτέριο θεωρείται ότι έχει παίξει σημαντικό ρόλο για τον καθορισμό του αριθμού και της αναλογίας των χημικών στοιχείων που σχηματίστηκαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη. Συνδυάζοντας τη θερμοδυναμική και τις αλλαγές που επέφερε η κοσμική εξάπλωση, μπορεί κανείς να υπολογίσει την αναλογία πρωτονίων και νετρονίων βασιζόμενος στη θερμοκρασία στο χρονικό σημείο που το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε να επιτραπεί η σύνθεση πυρήνων. Αυτός ο υπολογισμός δίνει μια αναλογία περίπου επτά (7) πρωτονίων για κάθε ένα (1) νετρόνιο, κατά την έναρξη της πυρηνοσύνθεσης. Αυτή η αναλογία θεωρείται ότι παρέμεινε σταθερή και μετά το τέλος της πυρηνοσύνθεσης. Αυτή η αναλογία προς όφελος των αρχικών πρωτονίων, οφείλεται κυρίως στο ότι η χαμηλότερη μάζα των πρωτονίων ευνοεί τη μεγαλύτερη παραγωγή τους. Το σύμπαν ψύχθηκε όταν εξαπλώθηκε. Τα ελεύθερα νετρόνια και πρωτόνια είναι λιγότερο σταθερά σε σύγκριση με τους πυρήνες ηλίου. Αυτή η αρχή αποτελεί μια ισχυρή ενεργειακό αιτία για το σχηματισμό 4He. Ωστόσο, ο σχηματισμός 4He, έχει ως ενδιάμεσο προαπαιτούμενο βήμα το σχηματισμό δευτερίου.

Παρόλο που πολλά από τα λίγα πρώτα λεπτά μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, κατά τα οποία η πυρηνοσύνθεση θα μπορούσε να συμβεί, η θερμοκρασία ήταν αρκετά υψηλή ώστε η μέση ενέργεια ανά σωμάτιο ήταν υψηλότερη από την ενέργεια σύνδεσης του (σχετικά) ασθενώς συνδεμένου δευτερίου. Για το λόγο αυτό, όσο ίσχυε η παραπάνω συνθήκη (δηλαδή υψηλότερη μέση ενέργεια σωματιδίων από την ενέργεια σύνδεσης των πυρηνικών σωματιδίων του δευτερίου) όσο δευτέριο παράγονταν καταστρέφονταν (σχεδόν) αμέσως. Αυτή η κατάσταση είναι γνωστή ως «φραγμός δευτερίου» ("deuterium bottleneck"). Ο φραγμός δευτερίου ανέστειλε το σχηματισμό 4He, μέχρι που το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε να σχηματίζεται δευτέριο χωρίς να καταστρέφεται άμεσα. Η θερμοκρασία αυτή είναι αντίστοιχη με τη μέση ενέργεια σωματιδίων να αντιστοιχεί στα 100 keV. Σε αυτό το σημείο άρχισε η ξαφνική έξαρση στην πυρηνοσύνθεση, αρχίζοντας από το δευτέριο, που πλέον αντί να αυτοδιασπάται άμεσα συντήκονταν σε 4He. Ωστόσο, πολύ σύντομα μετά, γύρω στα 20 λεπτά μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν έγινε πολύ ψυχρότερο και έπαψε να υποστηρίζει την παραπέρα πυρηνική σύντηξη ώστε να συμβαίνει η πυρηνοσύνθεση. Στο σημείο αυτό, η σχετική αφθονία των χημικών στοιχείων καθορίστηκε σχεδόν οριστικά. Η μόνη αλλαγή έκτοτε είναι η ραδιενεργή διάσπαση των ραδιενεργών νουκλεονίων που είχαν σχηματιστεί κατά την πυρηνοσύνθεση λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ένα σημαντικό ποσοστό αυτών αποτελούσε το αρχικά σχηματισμένο τρίτιο.[7] Ο φραγμός δευτερίου για το σχηματισμό 4He, σε συνδυασμό με την απουσία σταθερών παραγωγικών οδών συνδυασμού 4He με πρώτιο ή με τον εαυτό του, αφού δεν υπάρχει κανένα σταθερό νουκλεόνιο με μαζικό αριθμό πέντε (5) ή οκτώ (8), αντιστοίχως, είχε ως συνέπεια την παραγωγή ανεπαρκούς ποσότητας άνθρακα ή χημικών στοιχείων βαρύτερων αυτού κατά την πυρηνοσύνθεση μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά τα χημικά στοιχεία έπρεπε να περιμένουν το σχηματισμό των άστρων. Ταυτόχρονα βέβαια, η αποτυχία της μαζική πυρηνοσύνθεσης λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη εξασφάλισε αφθονία πρωτίου για το μεταγενέστερο σύμπαν και για τα μακρόβια άστρα, όπως ο Ήλιος μας.

Αφθονία

Επεξεργασία

Το δευτέριο βρίσκεται στη φύση σε ίχνη με τη μορφή του διδευτερίου (που παριστάνεται ως ²H2 ή D2), αλλά πολύ πιο άφθονο στη μορφή του δευτεριούχου υδρογόνου (που παριστάνεται ως H²H ή HD).[8]

Η ανακάλυψη της παρουσίας δευτερίου στη Γη, οπουδήποτε αλλού στο ηλιακό σύστημα, όπως επιβεβαιώθηκε από τους διαστημικούς βολιστήρες, καθώς και στο φάσμα των άστρων έξω από αυτό (το ηλιακό σύστημα), αποτελεί σημαντικό ορόσημο για την κοσμολογία. Η ακτινοβολία γ από τη συνηθισμένη πυρηνική σύντηξη διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο και δεν υπάρχει άλλη γνωστή πυρηνική διεργασία εκτός από την πυρηνοσύνθεση λίγο μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη που να μπορεί να παράγει δευτέριο, εκτός από τις σπάνιες περιπτώσεις της κατάλληλης διάσπασης νουκλεονίων ή της συνάντησης πρώτιου με ελεύθερα νετρόνια. Θεωρείται ότι λίγο δευτέριο παράγεται στο εσωτερικό του Ήλιου και άλλων άστρων, γιατί στις θερμοκρασίες που υπάρχουν στο εσωτερικό τους, η κατανάλωση δευτερίου με πυρηνική σύντηξη σε δύο δευτερονίων (δηλαδή πυρήνων δευτερίου) σε 4He είναι ταχύτερη από την παραγωγή του με πυρηνική σύντηξη δύο πρωτονίων σε δευτέριο. Ωστόσο το δευτέριο περισσότερο βρίσκεται στα εξώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας με περίπου την ίδια συγκέντρωση με την οποία εμφανίζεται στο Δία και αυτό πιθανότατα δεν έχει αλλάξει από την αρχή της δημιουργίας του ηλιακού συστήματος. Η φυσική αφθονία του δευτερίου φαίνεται να είναι γενικά σταθερή, οπουδήποτε γενικά βρίσκεται υδρογόνο, εκτός αν υπάρχουν κάποιες προφανείς διεργασίες που το συγκεντρώνουν εκλεκτικά σε σύγκριση με τα υπόλοιπα ισότοπα του υδρογόνου.

Παραγωγή

Επεξεργασία
Κύριο λήμμα: Βαρύ ύδωρ

Το δευτέριο παράγεται για βιομηχανικούς, επιστημονικούς και στρατιωτικούς σκοπούς. Η παραγωγή του αρχίζει από το συνηθισμένο νερό, ένα μικρό ποσοστό του οποίου αποτελείται από φυσικά υπάρχον σε αυτό βαρύ ύδωρ, το οποίο περιέχει δευτέριο. Το βαρύ ύδωρ διαχωρίζεται από το «ελαφρύ ύδωρ» (δηλαδή νερό που περιέχει δευτέριο σε μικρότερο ποσοστό από το συνηθισμένο φυσικό νερό), με τη διεργασία σουλφιδίου Γκίρντλερ (Girdler sulfide process), με απόσταξη ή με άλλες μεθόδους.

Θεωρητικά, το δευτέριο για το βαρύ ύδωρ θα μπορούσε να παραχθεί και με τη χρήση παραγωγικού πυρηνικού αντιδραστήρα σύντηξης πρωτίου σε δευτέριο, αλλά στην πράξη αυτό δεν εφαρμόζεται, επειδή η παραγωγή του με απλό διαχωρισμό από το φυσικό νερό είναι η οικονομικότερη μέθοδος μαζικής παραγωγής του.

Ο μεγαλύτερος παραγωγός δευτερίου ήταν η εταιρεία Atomic Energy of Canada Limited, αλλά το 1997 η εταιρεία αυτή έκλεισε το σχετικό εργοστάσιο. Ο Καναδάς χρησιμοποιούσε βαρύ ύδωρ ως ρυθμιστής νετρονίων για τη λειτουργία αντιδραστήρα σχεδιασμού CANDU.

Άλλος σημαντικός παραγωγός βαρέος ύδατος είναι η Ινδία. Όλοι εκτός ενός οι πυρηνικοί σταθμοί της Ινδίας χρησιμοποιούν συμπιεσμένο βαρύ ύδωρ για τη ρύθμιση των νετρονίων στους αντιδραστήρες τους, που χρησιμοποιούν φυσικό, μη εμπλουτισμένο ουράνιο. Η Ινδία έχει οκτώ (8) εργοστάσια παραγωγής βαρέος ύδατος, τα έξι (6) από τα οποία βασίζονται στην ανταλλαγή δευτερίου - πρωτίου σε αέρια αμμωνία (NH3) και τα δύο (2) εξάγουν δευτέριο από φυσικό νερό με διεργασία που χρησιμοποιεί αέριο υδρόθειο (H2S) υπό υψηλή πίεση. Η Ινδία είναι αυτάρκης σε παραγωγή βαρέος ύδατος και μάλιστα πραγματοποιεί και εξαγωγές αυτού του προϊόντος.

Ιδιότητες

Επεξεργασία

Φυσικές

Επεξεργασία

Οι φυσικές ιδιότητες του δευτερίου μπορούν να επιδείξουν σημαντικά κινητικά ισοτοπικά αποτελέσματα και άλλες διαφορές σε φυσικές και χημικές διαφορές σε σύγκριση με τις αντίστοιχες του πρωτίου. Για παράδειγμα, το D2Ο είναι περισσότερο πυκνόρρευστο από το 1H2O.[9] Χημικά, υπάρχουν διαφορές στις δεσμικές ενέργειες και στα μήκη δεσμών ανάμεσα σε χημικές ενώσεις που περιέχουν δευτέριο σε σύγκριση με αυτές που περιέχουν μόνο πρώτιο. Οι διαφορές αυτές είναι μεγαλύτερες σε σύγκριση με τις αντίστοιχες διαφορές των διαφορετικών ισοτόπων των υπόλοιπων χημικών στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα, χημικοί δεσμοί που συμπεριλαμβάνουν δευτέριο ή και τρίτιο είναι κάπως ισχυρότεροι από τους αντίστοιχους δεσμούς του συμπεριλαμβάνουν πρώτιο αντί αυτών. Οι διαφορετικές αυτές είναι αρκετές για να προκαλέσουν σημαντικές αλλαγές σε βιολογικές αντιδράσεις. Οι φαρμακευτικές εταιρείες ενδιαφέρονται για το γεγονός ότι το δευτέριο είναι δυσκολότερο να αποσπαστεί από τον άνθρακα σε σύγκριση με το πρώτιο.[10]

Το δευτέριο μπορεί να αντικαταστήσει το πρώτιο σε μόρια νερού, σχηματίζοντας βαρύ ύδωρ (D2O), που είναι περίπου 10,6% πυκνότερο από το φυσικό νερό και γι' αυτό μάλιστα ο βαρύς πάγος (δηλαδή παγωμένο βαρύ ύδωρ) βυθίζεται στο κανονικό υγρό, αντί να επιπλέει σε αυτό, όπως ο κανονικός πάγος. Το βαρύ ύδωρ είναι ελαφρώς τοξικό για τα ευκαρυωτικά ζώα. Αν στα τελευταία το 25% του νερού του σώματός τους αντικατασταθεί από βαρύ ύδωρ τότε προκαλούνται προβλήματα στην κυτταρική διαίρεση και στειρότητα, ενώ αν η αντικατάσταση φθάσει το 50% τότε προκαλείται θάνατος από κυτοτοξικό σύνδρομο (δηλαδή ανεπάρκεια του μυελού των οστών και ανεπάρκεια της γαστροεντερικής επένδυσης). Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί, ωστόσο, μπορούν να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν ακόμη και σε καθαρό βαρύ ύδωρ, αν και αναπτύσσονται βραδύτερα.[11] Παρ' όλη την τοξικότητά του, η (περιορισμένη) κατανάλωση βαρέος ύδατος υπό κανονικές συνθήκες δεν αποτελεί απειλή για την υγεία των ανθρώπων. Έχει εκτιμηθεί ότι ένας άνθρωπος βάρους 70 χιλιογράμμων μπορεί να πιει ως 4,8 λίτρα βαρέος ύδατος χωρίς σοβαρές συνέπειες.[12] Μικρές δόσεις βαρέος ύδατος (δηλαδή λίγα γραμμάρια για τους ανθρώπους) που περιέχουν ποσότητες δευτερίου συγκρίσιμες με αυτές που φυσιολογικά υπάρχουν στο σώμα, χρησιμοποιούνται συχνά ως αβλαβή μεταβολικά ίχνη για ανθρώπους και ζώα.

Τον Αύγουστο του 2018 επιστήμονες ανακοίνωσαν τη μετατροπή αέριου δευτερίου στην υγρή μεταλλική μορφή. Αυτό ίσως βοηθήσει τους ερευνητές να καταλάβουν καλύτερα πώς λειτουργούν οι αεριώδεις πλανήτες, όπως ο Δίας, ο Κρόνος και οι συγγενείς τους εξωπλανήτες, εφόσον θεωρείται ότι τέτοιοι πλανήτες περιέχουν πολύ υγρό μεταλλικό υδρογόνο, που ίσως είναι υπεύθυνο για τα παρατηρούμενα πολύ ισχυρά μαγνητικά τους πεδία.[13][14]

Κβαντικές

Επεξεργασία

Το δευτέριο έχει σπιν +1 (συγκεκριμένα μόνο το δευτέριο «τριπλής» κατάστασης) και έτσι είναι ένα μποζόνιο. Η συχνότητα στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού του δευτερίου είναι διαφορετική από αυτήν του πρωτίου. Η φασματοσκοπία υπερύθρου επίσης εύκολα διακρίνει πολλές δευτεριούχες ενώσεις από τις πρωτιούχες, εξαιτίας μεγάλων διαφορών στις συχνότητες απορρόφησης υπερύθρου, εφόσον αντιστοιχεί στην δόνηση χημικού δεσμού που περιέχει δευτέριο έναντι χημικού δεσμού που περιέχει πρώτιο. Τα δυο σταθερά ισότοπα του υδρογόνου μπορούν επίσης να διακριθούν με τη χρήση φασματοσκοπίας μαζών,

Το τριπλής κατάστασης δευτερώνιο αντιστοιχεί σε δεσμική ενέργεια EB = 2,23 MeV, δεν έχει βρεθεί καμμιά πραγματική υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Το «μονής» κατάστασης δευτερώνιο υφίσταται μόνο υποθετικά και αντιστοιχεί σε δεσμική ενέργεια EB = -60 keV. Επομένως δεν υπάρχει τέτοιο σταθερό σωμάτιο, αλλά αυτό το υποθετικό σωμάτιο αστραπιαία υπάρχει κατά τη διάρκεια ανελαστικής σκέδασης νετρονίου - πρωτονίου, παίρνοντας όμως υπόψη ότι υπολογίζεται ότι είναι μη συνηθισμένο μεγάλο νετρόνιο να σκεδάζεται σε ορθή γωνία με πρωτόνιο.[15]

Πυρηνικές ιδιότητες δευτερονίου

Επεξεργασία

Μάζα και ακτίνα δευτερονίου

Επεξεργασία
Κύριο λήμμα: Πρόβλημα ακτίνας πρωτονίου

Ο πυρήνας του δευτερίου ονομάζεται δευτερόνιο. Έχει μάζα 2.013553212745(40) amu.[16] Η ακτίνα φορτίου του δευτερονίου είναι 2.1413(25) fm[17] (1 fm = 10-15 m) . Όπως όταν πρόκειται για την ακτίνα πρωτονίου, οι μετρήσεις που έγιναν χρησιμοποιώντας μιονικό δευτέριο παράγουν ένα σημαντικά μικρότερο αποτέλεσμα. Συγκεκριμένα παράγουν r = 2,12562(78) fm.[18] Αυτή η κατά 6σ μικρότερη τιμή από την αποδεκτή τιμή CODATA 2014, που μετρήθηκε με τη χρήση ηλεκτρονίων, επιβεβαιώνει την ανωμαλία της ακτίνας φορτίου πρωτονίου.[19]

Σπιν και ενέργεια

Επεξεργασία

Το δευτέριο είναι ένα από τα μόνο πέντε (5) σταθερά νουκλίδια με περιττό αριθμό πρωτονίων (Z) και περιττό αριθμό νετρονίων (N).

Τα πέντε (5) τέτοια νουκλίδια είναι τα ακόλουθα:

  1. 2Η. Z = 1 και N = 1.
  2. 6Li. Z = 3 και N = 3.
  3. 10B. Z = 5 και N = 5.
  4. 14N, Z = 7 και N = 7.
  5. 180mTa, Ζ = 73 και N = 107.

Υπάρχουν, ακόμη, τέσσερα (4) φυσικά υπάρχοντα μακρόβια ραδιενεργά νουκλίδια με την ίδια ιδιότητα:

  1. 40K, Z = 19 και N = 21.
  2. 50V, Z = 23 και N = 27.
  3. 138La, Ζ = 57 και N = 81.
  4. 176Lu, Z = 71 και N = 105.

Οι περισσότεροι άλλοι πυρήνες με περιττό Z και περιττό N είναι ασταθείς, με τάση να δίνουν β-διάσπαση, γιατί τα προϊόντα αυτής έχουν άρτιο Z και άρτιο Ν, οπότε έχει ισχυρότερους πυρηνικούς δεσμούς, εξαιτίας των φαινομένων σύζευξης πυρηνικών ζευγών. Στο δευτερόνιο, ωστόσο, υπάρχουν σταθεροποιητικά οφέλη από τη σύζευξη ζεύγους πρωτονίου - νετρονίου, έχοντας την κατάσταση σπιν-1, που δίνει ισχυρότερη πυρηνική έλξη. Αντίστοιχη κατάσταση σπιν-1 δεν υπάρχει σε σύστημα δύο (2) πρωτονίων ή δύο (2) νετρονίων, χάρη στην αρχή εξαίρεσης Πάουλι, που απαιτεί το ένα ή το άλλο ταυτόσημο σωμάτιο με το ίδιο σπιν να έχει κάποιον άλλο διαφορετικό κβαντικό αριθμό, όπως η τροχιακή γωνιακή ορμή. Αλλά η διαφορετική τροχιακή γωνιακή ορμή δίνει σε κάθε ένα σωμάτιο μικρότερη ενέργεια σύνδεσης για το σύστημα, κυρίως λόγω της αυξημένης απόστασης των σωματίων στην απότομη κλίση της πυρηνικής δύναμης. Και στις δυο περιπτώσεις, αυτή η αρχή κάνει τα συστήματα διπρωτονίου (2He) ή δινετρονίου να είναι ασταθή.

Όταν ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο συνενώνονται σχηματίζοντας δευτερόνιο, το τελευταίο μπορεί να διασπαστεί, μέσω αλληλεπιδράσεων ουδετέρου ρεύματος με νετρίνα.

Η διατομή για αυτή την αλληλεπίδραση είναι συγκριτικά μεγάλη και το δευτέριο χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία ως στόχος νετρίνων, στο πείραμα του Αστεροσκοπίου νετρίνων Σάντμπερυ.

Ισοσπινική μονή κατάσταση δευτερονίου

Επεξεργασία

Εξαιτίας της ομοιότητας στη μάζα και στις πυρηνικές ιδιότητες μεταξύ πρωτονίου και νετρονίου, μερικές φορές θεωρούνται ως δυο συμμετρικοί τύποι του ίδιου αντικειμένου, ενός νουκλεόνιου. Επειδή μόνο το πρωτόνιο έχει ηλεκτρικό φορτίο, αυτό συχνά είναι αμελητέο, εξαιτίας της σχετικής αδυναμίας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης σε σύγκριση με την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση. Η συμμετρία που σχετίζεται με το πρωτόνιο και το νετρόνιο είναι γνωστή ως ισοσπιν και υποδηλώνεται ως I (ή μερικές φορές ως T).

Το ισοσπίν είναι μια συμμετρία SU(2), όπως το κανονικό σπιν, αλλά εντελώς ανάλογη με αυτό. Το πρωτόνιο και το νετρόνιο σχηματίζουν μια ισοσπινική διπλέτα, με μια «κάτω» κατάσταση (↓) στο νετρόνιο και με μια «άνω» κατάσταση (↑) στο πρωτόνιο.[20]

Ένα ζεύγος νουκλεονίων μπορεί να βρίσκεται είτε σε μια αντισυμμετρική ισοσπίν κατάσταση που ονομάζεται «μονή» (singlet) είτε σε μια συμμετρική κατάσταση που ονομάζεται «τριπλή» (triplet). Σε όρους κάτω και άνω κατάστασης, η μονή κατάσταση είναι:  Αυτό ισχύει για ένα δευτερόνιο, που περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Αντίστοιχα, η τριπλή κατάσταση είναι:  . Αυτή η κατάσταση μπορεί να προκύψει σε τρεις (3) περιπτώσεις:

  1. Σε πυρήνα διπρωτονίου.
  2. Σε πυρήνα δευτερονίου σε ουσιαστικά πολύ διεγερμένη κατάσταση.
  3. Σε πυρήνα δινετρονίου.

Οι πυρήνες διπρωτονίου και δινετρονίου, όπως προαναφέραμε είναι εξαιρετικά ασταθείς, οπότε απομένουν μόνο οι πολύ διεγερμένης κατάστασης πυρήνες δευτερονίου.

Προσεγγιστική κυματοσυνάρτηση δευτερονίου

Επεξεργασία

Η κυματοσυνάρτηση του δευτερονίου πρέπει να είναι αντισυμμετρική, αν χρησιμοποιηθεί η ισοσπινική αναπαράσταση. Εφόσον το πρωτόνιο και το νετρόνιο δεν είναι ταυτόσημα σωμάτια η κυματοσυνάρτηση δεν χρειάζεται να είναι γενικά αντισυμμετρική. Εκτός από το ισοσπιν τους, τα δυο νουκλεόνια έχουν επίσης σπιν και ειδικές συνεισφορές στην κυματοσυνάρτησή τους. Η τελευταία (κυματοσυνάρτηση) είναι συμμετρική αν το δευτερόνιο είναι συμμετρικό υπό ισοτιμία (π.χ. αν έχει μια άρτια ή θετική ισοτιμία) και αντισυμμετρική αν το δευτερόνιο είναι αντισυμμετρικό (π.χ. αν έχει μια περιττή ή αρνητική ισοτιμία). Η ισοτιμία είναι πλήρως καθορισμένη από τη συνολική ολική γωνιακή ορμή των δυο νουκλεονίων. Αν η ολική γωνιακή ορμή είναι άρτια (θετική), τότε και η ισοτιμία είναι άρτια (θετική). Αν η ολική γωνιακή ορμή είναι περιττή (αρνητική), τότε και η ισοτιμία είναι περιττή (αρνητική).

Το δευτερόνιο όντας σε ισοσπιν μονή κατάστση είναι αντισυμμετρικό υπό την ανταλλαγή των νουκλεονίων εξαιτίας του ισοσπίν. Γι' αυτό πρέπει να είναι συμμετρικό υπό διπλή ανταλλαγή του σπιν και της τοποθεσίας τους. Έτσι, μπορούν να διαχωριστούν δυο διαφορετικές καταστάσεις:

  1. Συμμετρικό σπιν και συμμετρική κάτω ισοτιμία. Σε αυτήν την περίπτωση, η ανταλλαγή των δυο νουκλεονίων πολλακλασιάζει την κυματοσυνάρτηση του δευτερονίου με -1, από την ανταλλαγή ισοσπίν, με +1, από την ανταλλαγή σπιν και με +1, από την ισοτιμία, λόγω ανταλλαγή θέσης. Ο συνολικός συντελεστής είναι -1, όπως απαιττείται για την αντισυμμετρία. Το σπιν του δευτερονίου είναι μια τριπλή κατάσταση σπιν, με συνολικό σπιν s = 1. Επιπλέον έχει αρνητική ισοτιμία και άρα αρνητική τροχιακή γωνιακή ορμή l. Όσο μικρότερη είναι η τροχιακή γωνιακή ορφή, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια. Επομένως, η μικρότερη πιθανή ενεργειακή κατάσταση αντιστοιχεί σε s = 1 και l = 0. Εφόσον το s = 1 δίνει ισχυρότερη πυρηνική έλξη, η βασική κατάσταση του δευτερονίου είναι η κατάσταση s = 1 και l = 0.
  2. Αντισυμμετρικό σπιν και αντισυμμετρική κάτω ισοτιμία. Σε αυτήν την περίπτωση, η ανταλλαγή των δυο νουκλεονίων πολλακλασιάζει την κυματοσυνάρτηση του δευτερονίου με -1, από την ανταλλαγή ισοσπίν, με -1, από την ανταλλαγή σπιν και με -1, από την ισοτιμία, λόγω ανταλλαγή θέσης. Ο συνολικός συντελεστής είναι -1, όπως απαιττείται για την αντισυμμετρία.

Παραπομπές και σημειώσεις

Επεξεργασία
  1. ↑ Dan O'Leary "The deeds to deuterium" Nature Chemistry 4, 236 (2012). doi:10.1038/nchem.1273. "Science: Deuterium v. Diplogen". Time. 19 February 1934.
  2. ↑ Hartogh, Paul; Lis, Dariusz C.; Bockelée-Morvan, Dominique; De Val-Borro, Miguel; Biver, Nicolas; Küppers, Michael; Emprechtinger, Martin; Bergin, Edwin A. et al. (2011). "Ocean-like water in the Jupiter-family comet 103P/Hartley 2". Nature 478 (7368): 218–220. Bibcode:2011Natur.478..218H. doi:10.1038/nature10519. PMID 21976024.
  3. ↑ Hersant, Franck; Gautier, Daniel; Hure, Jean‐Marc (2001). "A Two‐dimensional Model for the Primordial Nebula Constrained by D/Η Measurements in the Solar System: Implications for the Formation of Giant Planets". The Astrophysical Journal 554: 391. Bibcode:2001ApJ...554..391H. doi:10.1086/321355. "see fig. 7. for a review of D/Η ratios in various astronomical objects".
  4. ↑ «§ IR-3.3.2 Provisional Recommendations». Nomenclature of Inorganic Chemistry. Chemical Nomenclature and Structure Representation Division, IUPAC. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 27 Οκτωβρίου 2006. Ανακτήθηκε στις 3 Οκτωβρίου 2007. 
  5. ↑ Hébrard, G.; Péquignot, D.; Vidal-Madjar, A.; Walsh, J. R.; Ferlet, R. (7 Feb 2000), Detection of deuterium Balmer lines in the Orion Nebula, https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0002141.pdf 
  6. ↑ Water Absorption Spectrum Αρχειοθετήθηκε 2017-07-27 στο Wayback Machine.. lsbu.ac.uk
  7. ↑ Weiss, Achim. «Equilibrium and change: The physics behind Big Bang Nucleosynthesis». Einstein Online. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 8 Φεβρουαρίου 2007. Ανακτήθηκε στις 24 Φεβρουαρίου 2007. 
  8. ↑ IUPAC Commission on Nomenclature of Inorganic Chemistry (2001). «Names for Muonium and Hydrogen Atoms and their Ions» (PDF). Pure and Applied Chemistry 73 (2): 377–380. doi:10.1351/pac200173020377. http://www.iupac.org/publications/pac/2001/pdf/7302x0377.pdf. 
  9. ↑ Πρότυπο:RubberBible86th
  10. ↑ Halford, Bethany (4 July 2016). «The deuterium switcheroo». Chemical & Engineering News (American Chemical Society): σελ. 32–36. 
  11. ↑ Kushner, D. J.; Baker, A.; Dunstall, T. G. (1999). «Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds». Can. J. Physiol. Pharmacol. 77 (2): 79–88. doi:10.1139/cjpp-77-2-79. PMID 10535697. 
  12. ↑ Vertes, Attila, επιμ. (2003). «Physiological effect of heavy water». Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. Dordrecht: Kluwer. σελίδες 111–112. ISBN 978-1-4020-1314-0. 
  13. ↑ Chang, Kenneth (16 August 2018). «Settling Arguments About Hydrogen With 168 Giant Lasers - Scientists at Lawrence Livermore National Laboratory said they were “converging on the truth” in an experiment to understand hydrogen in its liquid metallic state.». The New York Times. https://www.nytimes.com/2018/08/16/science/metallic-hydrogen-lasers.html. Ανακτήθηκε στις 18 August 2018. 
  14. ↑ Staff (16 August 2018). «Under pressure, hydrogen offers a reflection of giant planet interiors - Hydrogen is the most-abundant element in the universe and the simplest, but that simplicity is deceptive». Science Daily. https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180816143205.htm. Ανακτήθηκε στις 18 August 2018. 
  15. ↑ Neutron-Proton Scattering. (PDF). mit.edu. Retrieved on 2011-11-23.
  16. ↑ deuteron mass in u. Physics.nist.gov. Retrieved on 2016-01-07.
  17. ↑ deuteron rms charge radius. Physics.nist.gov. Retrieved on 2016-01-07.
  18. ↑ Pohl, Randolf; Nez, François; Fernandes, Luis M. P. και άλλοι. (12 August 2016). «Laser spectroscopy of muonic deuterium». Science 353 (6300): 669–673. doi:10.1126/science.aaf2468. PMID 27516595. Bibcode: 2016Sci...353..669P. 
  19. ↑ Yirka, Bob (12 August 2016). «New measurement with deuterium nucleus confirms proton radius puzzle is real». Phys.org. http://phys.org/news/2016-08-deuterium-nucleus-proton-radius-puzzle.html. 
  20. ↑ , Deuteron States, Nessa Journal of Physics, 2017, vol. 1, issue 2, pp. 1-17
Ανακτήθηκε από "https://el.wiki.x.io/w/index.php?title=Δευτέριο&oldid=9804117"