Деутериум

Деутериум (водород-2, симбол ²H или D, познат и како тежок водород) — еден од двата стабилни изотопи на водородот; другиот е протиум, или водород-1, ¹H. Јадрото на деутериум (деутерон) содржи еден протон и еден неутрон, додека многу почестиот ¹H нема неутрони.

Деутериум, водород-2, D, ²H

Деутериум
Општо
Симбол	2H
Име	Деутериум, водород-2, D, H-2, водород-2, D, 2H
Протони (Z)	1
Неутрони (N)	1
Нуклидни податоци
Природна застапеност	0.0156% (земја)
Период на полураспад (t1/2)	стабилен
Изотопна маса	2.01410177811 Da
Спин	1+
Вишок енергија	13.135,720 ± 0,001 keV
Енергија на сврзување	2.224,57 ± 0,20 keV
Изотопи на водородот Целосна табела

Името деутериум доаѓа од грчкиот deuteros, што значи „втор“. Американскиот хемичар Харолд Уреј го открил деутериумот во 1931 година. Уреј произвел примероци од тешка вода во која ²H била високо концентрирана. Откритието на деутериумот му донело на Уреј Нобеловата награда во 1934 година.

Речиси целиот деутериум пронајден во природата бил синтетизиран во Големата експлозија пред 13.8 милијарди години, формирајќи го исконскиот сооднос од ²H до ¹H (≈26 јадра на деутериум на 10⁶ водородни јадра). Деутериумот последователно се произведува од бавниот ѕвезден протонско-протонски синџир, но брзо се уништува со егзотермни јадрени соединувања. Реакцијата деутериум-деутериум има втор најнизок енергетски праг и е астрофизички најпристапна, што се јавува и кај ѕвездите и кај кафеавите џуџиња.

Гасовитите џиновски планети го прикажуваат исконскиот сооднос на деутериумот. Кометите покажуваат покачен сооднос сличен на океаните на Земјата (156 јадра на деутериум на ⁶јадра на водород). Ова ги зацврстува теориите дека голем дел од водата во океаните на Земјата е од кометно потекло. Односот на деутериум на кометата 67P/Чурјумов-Герасименко, измерен со вселенската сонда Розета, е околу три пати поголем од оној на водата на Земјата. Оваа бројка е највисока досега измерена во комета, така што соодносот на деутериум продолжува да биде активна тема на истражување и во астрономијата и во климатологијата.

Деутериумот се користи во повеќето јадрени оружја, многу експерименти за јадрено соединување и како најефективен модератор на неутрони, првенствено во јадрени реактори со тешка вода. Се користи и како изотопска ознака, во биогеохемијата, NMR спектроскопијата и деутерираните лекови.

Разлики од обичниот водород (протиум)

Водород (горе) и деутериум (долу) светат во гасни цевки

Хемиски симбол

Деутериумот често се претставува со хемискиот симбол D. Бидејќи е изотоп на водород со масен број 2, тој е претставен и со ²H. Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија (МСЧПХ) го дозволува и симболот D и ²H, иако се претпочита ²H. За погодност се користи посебен хемиски симбол поради вообичаената употреба на изотопот во различни научни процеси. Исто така, неговата голема масна разлика со протиумот (¹H) дава незанемарливи хемиски разлики со соединенијата ¹H. Деутериумот има маса од 2,014102, околу двапати поголема од средната атомска тежина на водород од 1,007947 Da, или двојно поголема маса на протиум од 1,007825 Da. Односите на тежина на изотопи во другите елементи се во голема мера незначителни во овој поглед.

Спектроскопија

Во квантната механика, енергетските нивоа на електроните во атомите зависат од намалената маса на системот на електрони и јадрото. За водороден атом, улогата на намалената маса наједноставно се гледа преку Боровиот модел на атомот, каде што намалената маса се појавува при едноставна пресметка на Ридберговата константа и Ридберговата равенка, но намалената маса се појавува и во Шредингеровата равенка и во Дираковата равенка за пресметување на нивоата на атомска енергија.

Намалената маса на системот во овие равенки е блиску до масата на еден електрон, но се разликува од неа за мала количина приближно еднаква на односот на масата на електронот кон јадрото. За ¹H, оваа сума е околу18371836 или 1.000545, а за ²H е уште помала: 36713670. Затоа, енергиите на линиите на електронските спектри за ²H и ¹H се разликуваат според односот на овие два броја, кој е 1,000272. Брановите должини на сите деутериумски спектроскопски линии се пократки од соодветните линии на лесен водород, за 0,0272%. Во астрономското набљудување, ова одговара на сино доплерско поместување од 0,0272% од брзината на светлината, или 81,6 km/s.

Разликите се многу поизразени во вибрационата спектроскопија како што се инфрацрвената спектроскопија и Рамановата спектроскопијата, и во ротационите спектри како што е микробрановата спектроскопија бидејќи намалената маса на деутериумот е значително повисока од онаа на протиумот. Во спектроскопијата на јаглената магнетна резонанца, деутериумот има многу различна ЈМР фреквенција (на пр. 61 MHz кога протиумот е на 400 MHz) и е многу помалку чувствителен. Деутерираните растворувачи обично се користат во протиумска ЈМР за да се спречи преклопувањето на растворувачот со сигналот, иако е можно и сам по себе деутериумски ЈМР.

Нуклеосинтеза на Големата експлозија

Се смета дека деутериумот одиграл голема улога во одредувањето на бројот и односот на елементите кои биле формирани во Големата експлозија. Комбинирајќи ја термодинамиката и промените предизвикани од космичката експанзија, може да се пресмета фракцијата на протоните и неутроните врз основа на температурата во точката кога универзумот се оладил доволно за да овозможи формирање на јадра. Оваа пресметка покажува седум протони за секој неутрон на почетокот на нуклеогенезата, однос кој би останал стабилен дури и по завршувањето на нуклеогенезата. Оваа фракција првично била во корист на протоните, првенствено затоа што помалата маса на протонот го фаворизирала нивното производство. Како што Вселената се ширела, тој се оладувал. Слободните неутрони и протони се помалку стабилни од јадрата на хелиумот, а протоните и неутроните имале силна енергетска причина да формираат хелиум-4. Сепак, формирањето на хелиум-4 бара среден чекор на формирање на деутериум.

Во голем дел од неколкуте минути по Големата експлозија за време на која можело да се случи нуклеосинтеза, температурата била доволно висока што средната енергија по честичка била поголема од енергијата на врзување на слабо врзаниот деутериум; затоа, секој деутериум што се формирал веднаш бил уништен. Оваа ситуација е позната како тесно грло на деутериумот. Тесното грло го одложило формирањето на кој било хелиум-4 додека Вселената не се изладила доволно за да формира деутериум (на околу температура еквивалентна на 100 keV). Во овој момент, постоел ненадеен излив на формирање на елемент (првиот деутериум, кој веднаш се споил во хелиум). Меѓутоа, многу брзо потоа, дваесет минути по Големата експлозија, Вселената станала премногу ладна за какво било понатамошно јадрено соединување или нуклеосинтеза. Во овој момент, елементарните изобилства биле речиси фиксирани, со единствена промена бидејќи некои од радиоактивните производи на нуклеосинтезата на Големата експлозија (како што е тритиумот) се распаѓаат. Тесното грло на деутериумот во формирањето на хелиум, заедно со недостатокот на стабилни начини за хелиум да се комбинира со водородот или со самиот себе (ниту едно стабилно јадро нема масен број 5 или 8) значело дека во Големата експлозија се формирала незначителна количина на јаглерод, или какви било елементи потешки од јаглеродот. Овие елементи на тој начин барале формирање во ѕвезди. Во исто време, неуспехот на голем дел од нуклеогенезата за време на Големата експлозија обезбедила многу водород во подоцнежниот универзум на располагање за да се формираат долговечни ѕвезди, како што е Сонцето.

Изобилство

Поедноставен графикон на содржина на честички

Деутериумот се јавува во трагови природно како гас деутериум ( ²H₂ или D₂), но повеќето атоми на деутериум во Вселената се поврзани со ¹H за да формираат гас наречен водороден деутерид (HD или ¹H²H). Слично на тоа, природната вода содржи деутерирани молекули, речиси сите како полутешка вода HDO со само еден деутериум.

Постоењето на деутериум на Земјата, на друго место во Сончевиот Систем (како што е потврдено со планетарните сонди) и во спектрите на ѕвездите, е исто така важен податок во космологијата. Гама зрачењето од обичното јадрено соединување го дисоцира деутериумот на протони и неутрони, и не постои познат природен процес освен нуклеосинтезата на Големата експлозија кој би можел да произведе деутериум во нешто блиску до неговото забележано природно изобилство. Деутериумот е произведен од реткото кластерски распад и повременото примање на природни неутрони од лесен водород, но тоа се тривијални извори. Се смета дека има малку деутериум во внатрешноста на Сонцето и другите ѕвезди, бидејќи на овие температури реакциите на јадреното соединување кои трошат деутериум се случуваат многу побрзо од протонско-протонската реакција што создава деутериум. Сепак, деутериумот опстојува во надворешната сончева атмосфера со приближно иста концентрација како во Јупитер, и тоа веројатно е непроменето од настанувањето на Сончевиот Систем. Природното изобилство на ²H се смета дека е многу слична фракција на водород, каде и да се најде водород, освен ако не постојат очигледни процеси на работа кои го концентрираат.

Постоењето на деутериум на ниска, но константна исконска фракција во целиот водород е уште еден од аргументите во корист на Големата експлозија во однос на теоријата на постојана состојба на Вселената. Набљудуваните соодноси на водород со хелиум и деутериум во Вселената е тешко да се објаснат освен со модел на Големата експлозија. Се проценува дека изобилството на деутериум не се развило значително од нивното производство пред околу 13,8 милијарди години. Мерењата на галактичкиот деутериум на Млечниот Пат од ултравиолетовите спектрални анализи покажуваат сооднос од дури 23 атоми деутериум на милион атоми на водород во непречените гасни облаци, што е само 15% под проценетиот примордијален сооднос од Вилкинсоновата микробранова анизотропна сонда од околу 27 атоми на милион од Големата експлозија. Ова се толкува дека помалку деутериум е уништен во формирањето на ѕвезди во галаксијата Млечен Пат отколку што се очекувало, или можеби деутериумот е надополнет со голем пад на исконски водород надвор од галаксијата. Во вселената на неколку стотици светлосни години од Сонцето, изобилството на деутериум е само 15 атоми на милион, но оваа вредност веројатно е под влијание на диференцијалната атсорпција на деутериум врз зрната јаглеродна прашина во меѓуѕвездениот простор.

Изобилството на деутериум во атмосферата на Јупитер е директно измерено од вселенската сонда „Галилео“ како 26 атоми на милион атоми на водород. Набљудувањата на ISO-SWS наошле 22 атоми на милион атоми на водород во Јупитер. и се смета дека ова изобилство претставува близок сооднос на исконскиот Сончев Систем. Ова е околу 17% од копнениот сооднос од 156 атоми на деутериум на милион атоми на водород.

Било измерено дека кометите како што се Хејл-Боповата и Халеевата комета содржат повеќе деутериум (околу 200 атоми на милион водороди), соодноси кои се збогатени во однос на претпоставениот сооднос на протосончевата маглина, веројатно поради загревањето, и кои се слични на односот пронајден во морската вода на Земјата. Неодамнешното мерење на количествата на деутериум од 161 атоми на милион водород во кометата 103P/Хартли (поранешен објект на Кајперовиот појас), сооднос речиси точно тој во океаните на Земјата (155,76 ± 0,1, но всушност од 153 до 156 ppm), ја нагласува теоријата дека водата може да биде голема од површината на Земјата. Неодамна, ²H¹HR од 67P/Чурјумов-Герасименко како што е измерено од Розета е околу три пати повеќе од водата на Земјата. Ова предизвикало обновен интерес за сугестиите дека водата на Земјата можеби е делумно од астероидно потекло.

Било забележано дека деутериумот е концентриран над просечното сончево изобилство на други копнени планети, особено Марс и Венера.

Производство

Деутериумот се произведува за индустриски, научни и воени цели, со започнување преку обична вода - мал дел од која природно се наоѓа тешка вода - а потоа се одвојува тешката вода преку Гирдлеровиот сулфидов процес, дестилација или други методи.

Теоретски, деутериум за тешка вода може да се создаде во јадрен реактор, но одвојувањето од обичната вода е најевтиниот процес на производство на големо.

Водечкиот светски снабдувач на деутериум бил Atomic Energy of Canada Limited до 1997 година, кога била затворена последната фабрика за тешка вода. Канада користи тешка вода како модератор на неутрони за работата на дизајнот на реакторот CANDU.

Друг голем производител на тешка вода е Индија. Сите, освен една од постројките за атомска енергија во Индија претставуваат постројки за тешка вода под притисок, кои користат природен (односно незбогатен) ураниум. Индија има осум постројки за тешка вода, од кои седум се наоѓаат во функција. Шест постројки, од кои пет се во функција, се засноваат на размена на D-H во амонијак гас. Другите две растенија извлекуваат деутериум од природна вода во процес кој користи гас водород сулфид при висок притисок.

Додека Индија е самодоволна во тешка вода за сопствена употреба, Индија исто така извезува тешка вода од овој тип.

Својства

Податоци за молекуларен деутериум

Формула:D
2 или 2
1H₂

• Густина: 0,180 kg/m³ на стандардни услови (0 °C, 101325 Pa).
• Атомска тежина: 2,0141017926 Da.
• Средно изобилство во океанската вода (од Виенска стандардна средна океанска вода) 155,76 ± 0,1 атоми деутериум на милион атоми од сите изотопи на водород (околу 1 атом од 6420); односно околу 0,015% од сите атоми на водород (кој било изотоп)

Податоци на околу 18 K за ²H₂ (тројна точка):

• Густина:
  • Течност: 162,4 kg/ ³
  • Гас: 0,452 kg/m ³
  • Течен ²H₂O: 1105,2 kg/m ³ на стандардни услови
• Вискозитет: 12,6 μPa·s на 300 K (гасна фаза)
• Специфичен топлински капацитет при постојан притисок c _p :
  • ЦврстиНА: 2950 J/(kg·K)
  • Гас: 5200 J/(kg·K)

Физички својства

Во споредба со водородот во неговиот природен состав на Земјата, чистиот деутериум (²H₂) има повисока точка на топење (18,72 К наспроти 13,99 К), повисока точка на вриење (23,64 наспроти 20,27 К), повисока критична температура (38,3 наспроти 32,94 К) и повисок критичен притисок (1,6496 наспроти 1,2858 MPa).

Физичките својства на соединенијата на деутериум може да покажат значајни кинетички изотопски ефекти и други физички и хемиски карактеристики од аналозите на протиум. ²H₂O, на пример, е повеќе вискозен од нормалното H₂O Постојат разлики во енергијата и должината на врската за соединенијата на тешките водородни изотопи во споредба со протиумот, кои се поголеми од изотопските разлики во кој било друг елемент. Врските кои вклучуваат деутериум и тритиум се нешто посилни од соодветните врски во протиумот, и овие разлики се доволни за да предизвикаат значителни промени во биолошките реакции. Фармацевтските фирми се заинтересирани за фактот дека ²H е потешко да се отстрани од јаглеродот отколку ¹H.

Деутериумот може да замени ¹H во молекулите на водата за да формира тешка вода (²H₂O), која е околу 10,6% погуста од нормалната вода (така што мразот направен од него тоне во нормална вода). Тешката вода е малку токсична кај еукариотските животни, при што 25% замена на водата во телото предизвикува проблеми со клеточната делба и стерилитет, а 50% замена предизвикува смрт од цитотоксичен синдром (неуспех на коскената срцевина и откажување на гастроинтестиналната обвивка). Прокариотските организми, сепак, можат да преживеат и да растат во чиста тешка вода, иако тие се развиваат бавно. И покрај оваа токсичност, потрошувачката на тешка вода во нормални околности не претставува закана по здравјето на луѓето. Се проценува дека 70 килограми едно лице може да испие 4,8 литри тешка вода без сериозни последици. Мали дози на тешка вода (неколку грама кај луѓето, што содржи количество деутериум споредливо со она што е нормално присутно во телото) рутински се користат како безопасни метаболички трагачи кај луѓето и животните.

Квантни својства

Деутронот има спин +1 („тројна состојба“) и затоа е бозон. Фреквенцијата на ЈМР на деутериум е значително различна од нормалниот водород. Инфрацрвената спектроскопија, исто така, лесно диференцира многу деутерирани соединенија, поради големата разлика во фреквенцијата на впивање на IR, забележана во вибрациите на хемиската врска што содржи деутериум, наспроти лесен водород. Двата стабилни изотопи на водородот може да се разликуваат и со употреба на масена спектрометрија.

Тројниот деутронски нуклеон едвај е врзан на E_B = 2,23 MeV, и ниту една од повисоките енергетски состојби не е врзана. Поединечниот деутронот е виртуелна состојба, со негативна енергија на врзување од 60 keV. Не постои таква стабилна честичка, но оваа виртуелна честичка минливо постои за време на нееластичното расејување неутрон-протон, што е причина за невообичаено големиот пресек на неутронско расејување на протонот.

Јадрени својства (деутрон)

Маса и полупречник

Јадрото на деутериум се нарекува деутерон. Има маса од 2.013553212544(15) Da (нешто повеќе од 1,875 GeV/c² ).

Полупречникот на полнење на деутрон е 2.12778(27)×10⁻¹⁵ m

Како и полупречникот на протонот, мерењата со помош на мионски деутериум даваат помал резултат: 2,12562 ± (78) fm.

Спин и енергија

Деутериумот е еден од само петте стабилни нуклиди со непарен број протони и непарен број неутрони. (²H, ⁶Li, ¹⁰B, ¹⁴N, ^180mTa; долговечните радионуклиди ⁴⁰K, ⁵⁰V, ¹³⁸La, ¹⁷⁶Lu исто така се јавуваат природно.) Повеќето непарни-непарни јадра се нестабилни за бета распаѓање, бидејќи производите на распаѓање се рамномерни, а со тоа и посилно врзани, поради ефектите на нуклеарно спарување. Деутериумот, сепак, има корист од тоа што неговиот протон и неутрон се споени во состојба на спин-1, што дава посилна јадрена привлечност; соодветната состојба на спин-1 не постои во системот со два неутрони или два протони, поради Паулиевиот принцип на исклучување кој бара една или друга идентична честичка со ист спин да има некој друг различен квантен број, како што е орбиталниот аголен моментум. Но, орбиталниот аголен моментум на која било честичка дава помала врзувачка енергија за системот, главно поради зголеменото растојание на честичките во стрмниот градиент на јадрената сила. Во двата случаи, ова предизвикува дипротонот и динеутронот да бидат нестабилни.

Протонот и неутронот во деутериумот може да се дисоцираат преку заемни дејства на неутрална струја со неутрината. Напречниот пресек за оваа интеракција е релативно голем, а деутериумот бил успешно користен како цел на неутрино преку експериментот во СНО.

Диатомскиот деутериум ( ²H₂) има орто и пара јадрени спин изомери како дијатомскиот водород, но со разлики во бројот и популацијата на состојби на спин и ротациони нивоа, кои се јавуваат затоа што деутронот е бозон со јадрен спин еднаков на еден.

Изоспинска единечна состојба на деутронот

Поради сличноста во масата и јадрените својства помеѓу протонот и неутронот, тие понекогаш се сметаат како два симетрични типа на ист објект, нуклеон. Додека само протонот има електричен полнеж, ова е често занемарливо поради слабоста на електромагнетното заемно дејство во однос на големата јадрена сила. Симетријата што ги поврзува протонот и неутронот е позната како изоспин и означена како I (или понекогаш Т ).

Изоспинот е SU(2) симетрија, како обичниот спин, така што е целосно аналоген на него. Протонот и неутронот, од кои секој има изо- спин-1/2, формираат изоспински парови (аналоген на спинови парови), при што состојбата „долу“ (↓) е неутрон, а состојбата „горе“ (↑) е протон. Еден пар нуклеони може да биде или во антисиметрична состојба на изоспин наречена самостојна состојба, или во симетрична состојба наречена тројна. Во однос на состојбата „долу“ и „горе“, самостојната е

${\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|{\uparrow \downarrow }\rangle -|{\downarrow \uparrow }\rangle {\Big )}.$, кој исто така може да се напише : ${\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|pn\rangle -|np\rangle {\Big )}.$

Ова е јадро со еден протон и еден неутрон, односно јадро на деутериум. Тројната состојба е

$\left({\begin{array}{ll}|{\uparrow \uparrow }\rangle \\{\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\uparrow \downarrow }\rangle +|{\downarrow \uparrow }\rangle )\\|{\downarrow \downarrow }\rangle \end{array}}\right)$

и на тој начин се состои од три типа на јадра, за кои се претпоставува дека се симетрични: јадро на деутериум (всушност тоа е високо возбудена состојба), јадро со два протони и јадро со два неутрони. Овие состојби не се стабилни.

Приближна бранова функција

Деутронската бранова функција мора да биде антисиметрична доколку се користи изоспинската претстава (бидејќи протонот и неутронот не се идентични честички, брановата функција воопшто не мора да биде антисиметрична). Освен нивниот изоспин, двата нуклеони имаат и спин и просторна распределба на нивната бранова функција. Вториот е симетричен доколку деутронот е симетричен под паритет (т.е. има „парен“ или „позитивен“ паритет), а антисиметричен доколку деутронот е антисиметричен под паритет (т.е. има „непарен“ или „негативен“ паритет). Паритетот е целосно определен од вкупниот орбитален аголен импулс на двата нуклеони: доколку е парен, тогаш парноста е парна (позитивна), а доколку е непарна тогаш парноста е непарна (негативна).

Деутронот, во изоспински самостојна состојба, е антисиметричен при размена на нуклеоните поради изоспинот, и затоа мора да биде симетричен при двојната размена на нивниот спин и местоположба. Затоа, може да биде во која било од следниве две различни состојби:

• Симетричен спин и симетричен под паритет. Во овој случај, размената на двата нуклеони ќе ја помножи брановата функција на деутериум со (−1) од изоспинската размена, (+1) од размената на спин и (+1) од паритетот (размена на местоположба), за вкупно (−1) колку што е потребно за антисиметрија.
• Антисиметричен спин и антисиметричен под паритет. Во овој случај, размената на двата нуклеони ќе ја помножи брановата функција на деутериум со (−1) од изоспинската размена, (−1) од размената на спин и (−1) од паритетот (размена на локација), повторно за вкупно (−1) колку што е потребно за антисиметрија.

Во првиот случај деутронот претставува спин тројка, така што неговиот вкупен спин s е 1. Исто така, поседува рамномерен паритет и затоа рамномерен орбитален аголен момент l. Колку е помал неговиот орбитален аголен момент, толку е помала неговата енергија. Според тоа, најниската можна енергетска состојба има s = 1, l = 0 .

Во вториот случај, деутронот е спин самостоен, така што неговиот вкупен спин s е 0. Исто така, има непарен паритет и затоа непарен орбитален аголен момент l . Според тоа, најниската можна енергетска состојба има s = 0, l = 1 .

Бидејќи s = 1 дава посилна јадрена привлечност, основната состојба на деутериумот е во состојба s = 1, l = 0 .

Истите размислувања водат до можните состојби на изоспинската тројка која има s = 0, l = even или s = 1, l = odd . Така, состојбата на најниска енергија има s = 1, l = 1, повисока од онаа на изоспинскиот синглот.

Штотуку дадената анализа е всушност само приближна, и затоа што изоспинот не е точна симетрија, и уште поважно затоа што силната јадрена интеракција помеѓу двата нуклеона е поврзана со аголниот импулс во интеракцијата спин-орбита која меша различни s и l состојби. Односно, s и l не се константни во времето (тие не менуваат со Хамилтонов оператор), и со текот на времето, состојба како што е s = 1, l = 0 може да стане состојба од s = 1, l = 2. Паритетот е сè уште константен во времето, така што тие не се мешаат со непарните l состојби (како што се s = 0, l = 1). Според тоа, квантната состојба на деутериумот е суперпозиција (линеарна комбинација) на состојбата s = 1, l = 0 и состојбата s = 1, l = 2, иако првата компонента е многу поголема. Бидејќи вкупниот аголен момент j е исто така добар квантен број (тој е константа во времето), двете компоненти мора да имаат ист j, и затоа j = 1 . Ова е вкупниот спин на јадрото на деутериум.

Така, јадрото на деутериум е антисиметрично во однос на изоспинот и има спин 1 и парен (+1) паритет. Релативниот аголен момент на неговите нуклеони l не е добро дефиниран, а деутронот е суперпозиција главно l = 0 со некои l = 2.

Магнетни и електрични повеќеполи

За да се најде теоретски деутериум магнетниот диполен момент μ, се користи формулата за јадрен магнетен момент

$\mu ={\frac {1}{j+1}}{\bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\bigr |}\,{\vec {\mu }}\cdot {\vec {\jmath }}\,{\bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\bigr \rangle }$

со

${\vec {\mu }}=g^{(l)}{\vec {l}}+g^{(s)}{\vec {s}}$

g ^(l) и g ^(s) се <i id="mwAjk">g</i> -фактори на нуклеоните.

Бидејќи протонот и неутронот имаат различни вредности за g ^(l) и g ^(s), мора да се одделат нивните придонеси. Секој добива половина од орбиталниот аголен момент на деутериум ${\vec {l}}$ и врти ${\vec {s}}$ . Еден пристигнува во

$\mu ={\frac {1}{j+1}}{\Bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\Bigr |}\left({\frac {1}{2}}{\vec {l}}{g^{(l)}}_{p}+{\frac {1}{2}}{\vec {s}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})\right)\cdot {\vec {\jmath }}\,{\Bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\Bigr \rangle }$

каде што ознаките p и n значат протон и неутрон, а g^(l)_n = 0.

Со користење на истите идентитети и со користење на вредноста g^(l)_p = 1, се добива следниот резултат, во единици на јадрениот магнетон μ _N

$\mu ={\frac {1}{4(j+1)}}\left[({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n}){\big (}j(j+1)-l(l+1)+s(s+1){\big )}+{\big (}j(j+1)+l(l+1)-s(s+1){\big )}\right]$

За состојбата s = 1, l = 0 ( j = 1 ), се добива

$\mu ={\frac {1}{2}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})=0.879$

За состојбата s = 1, l = 2 ( j = 1 ), се добива

$\mu =-{\frac {1}{4}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})+{\frac {3}{4}}=0.310$

Измерената вредност на деутериумовиот магнетниот диполен момент е 0,857 μ_N, што е 97,5% од 0,879 μ_N вредност добиена со едноставно додавање моменти на протонот и неутронот. Ова сугерира дека состојбата на деутериумот е навистина до добра апроксимација s = 1, l = 0 состојба, што се случува со двата нуклеони кои се вртат во иста насока, но нивните магнетни моменти се одземаат поради негативниот момент на неутронот.

Но, малку помалиот експериментален број од оној што произлегува од едноставното додавање на протонски и (негативни) неутронски моменти покажува дека деутериумот е всушност линеарна комбинација од претежно s = 1, l = 0 состојби со мало мешање на s = 1, l = 2 состојби.

Електричниот дипол изнесува нула како и обично.

Измерениот електричен четирипол на деутериумот е 0,2859 e·fm². Иако редот на големината е разумен, бидејќи полупречникот на деутрон е од редот на 1 фемтометар и неговиот електричен полнеж е „e“, горенаведениот модел не е доволен за неговата пресметка. Поконкретно, електричниот четирипол не добива придонес од состојбата l = 0 (која е доминантна) и добива придонес од член што ги меша состојбите l = 0 и l = 2, бидејќи електричниот четириполен оператор не менува со аголен моментум.

Употреба

Јадрени реактори

Податотека:Deuterium Ionized.JPG

Јонизиран деутериум во фузорски реактор давајќи го својот карактеристичен розово-црвен сјај

Деутериумот се користи во реактори со умерено цепење со тешка вода, обично како течен ²H₂O, за забавување на неутроните без високо впивање на неутрони на обичниот водород. Ова е вообичаена комерцијална употреба за поголеми количини деутериум.

Во истражувачките реактори, течноста ² ₂ се користи во ладни извори за да се ублажат неутроните до многу ниски енергии и бранови должини соодветни за експерименти со расејување.

Експериментално, деутериумот е најчестиот нуклид што се користи во дизајните на реактори јадрено соединување, особено во комбинација со тритиум, поради големата брзина на реакција (или нуклеарен пресек) и високиот енергетски принос на реакцијата деутериум-тритиум (ДТ). Постои реакција на фузија ²H–3. He со уште поголем принос, иако точката на прекин од ²H–³He е повисока од онаа на повеќето други реакции на јадрено соединување; заедно со недостигот од ³He, ова го прави неверојатно како практичен извор на енергија, барем додека фузијата на ДТ и деутериум-деутериум (ДД) не се изведе на комерцијално ниво. Комерцијалната јадрена фузија сè уште не е постигната технологија.

NMR спектроскопија

Спектарот на емисија на ултравиолетова лачна ламба на деутериум

Деутериумот најчесто се користи во спектроскопија на водородна јадрена магнетна резонанца (протонски НМР) на следниот начин. НМР вообичаено бара соединенијата од интерес да се анализираат како растворени во раствор. Поради својствата на јадрено вртење на деутериумот кои се разликуваат од светлиот водород кој обично е присутен во органските молекули, спектрите на НМР на водород/протиум се многу различни од оние на деутериумот, а во пракса деутериумот не се „гледа“ со НМР инструмент нагоден за ¹H. Деутерираните растворувачи (вклучувајќи тешка вода, но исто така и соединенија како деутериран хлороформ, CDCl₃ или C²HCl₃, затоа рутински се користат во спектроскопијата НМР, со цел да се овозможи мерење само на светлосно-водородните спектри на соединението од интерес, без интерференција на сигналот на растворувачот.

Спектроскопија со јадрена магнетна резонанца, исто така, може да се користи за да се добијат информации за околината на деутронот во изотопски означени примероци ( деутериум НМР). На пример, конфигурацијата на јаглеводородните синџири во липидните двослоеви може да се квантифицира со користење на деутериум НМР во цврста состојба со липидни молекули означени со деутериум.

Спектрите на деутериум НМР се особено информативни во цврста состојба поради неговиот релативно мал четириполен момент во споредба со оние на поголемите четириполарни јадра како што е хлорот-35, на пример.

Масовна спектрометрија

Деутерираните соединенија (т.е. каде што сите или некои водородни атоми се заменети со деутериум) често се користат како внатрешни стандарди во масената спектрометрија. Како и другите изотопски означени видови, таквите стандарди ја подобруваат точноста, додека често се со многу пониска цена од другите изотопски означени стандарди. Деутерираните молекули обично се подготвуваат преку реакции на размена на изотопи на водород.

Следење

Во хемијата, биохемијата и еколошките науки, деутериумот се користи како нерадиоактивен, стабилен изотопски трагач, на пример, во двојно означениот тест за вода . Во хемиските реакции деутериумот се однесува слично на обичниот водород (со неколку хемиски разлики, како што е наведено). Најлесно може да се разликува од нормалниот водород според неговата маса, користејќи масена спектрометрија или инфрацрвена спектрометрија. Деутериумот може да се открие со фемтосекундна инфрацрвена спектроскопија, бидејќи разликата во масата драстично влијае на фреквенцијата на молекуларните вибрации; ²H-јаглеродните вибрациите се наоѓаат во спектрални области без други сигнали.

Мерењата на малите варијации во природните изобилства на деутериум, заедно со оние на стабилните тешки кислородни изотопи ¹⁷O и ¹⁸O, се од важност во хидрологијата, за да се следи географското потекло на водите на Земјата. Тешките изотопи на водород и кислород во дождовницата (метеорска вода) се збогатуваат како функција на температурата на околината на регионот во кој паѓаат врнежите (а со тоа збогатувањето е поврзано со географската ширина). Релативното збогатување на тешките изотопи во дождовницата (како што е наведено како значајна океанска вода), кога е нацртано во однос на температурата, очекувано паѓа по линијата наречена глобална метеорска водна линија (ГМВЛ). Оваа парцела овозможува да се идентификуваат примероци од вода со потекло од врнежите заедно со општи информации за климата од која потекнува. Испарувачките и другите процеси во водните тела, како и процесите на подземните води, исто така, различно ги менуваат соодносите на тешките водородни и кислородни изотопи во свежите и солените води, на карактеристични и често регионално карактеристични начини. Односот на концентрацијата од ²H до ¹H обично се означува со делта како δ2H и географските обрасци на овие вредности се исцртани во картите наречени изопејси. Стабилните изотопи се инкорпорирани во растенијата и животните, а анализата на односот кај птица-мигранти или инсекти може да помогне да се предложи груб водич за нивното потекло.

Контрастни својства

Техниките на неутронско расејување особено профитираат од достапноста на деутерирани примероци: пресеците ¹H и ²H се многу различни и различни по знак, што овозможува варијација на контрастот во таквите експерименти. Понатаму, непријатен проблем на нормалниот водород е неговиот голем некохерентен неутронски пресек, кој е нула за ²H. Замената на деутериум за нормален водород на тој начин ја намалува бучавата од расејување.

Водородот е важна и главна компонента во сите материјали од органската хемија и науката за животот, но едвај комуницира со Х-зраците. Бидејќи атомите на водород (вклучувајќи деутериум) силно комуницираат со неутроните; Техниките на расејување на неутрони, заедно со современата постројка за деутерација, пополнуваат ниша во многу проучувања за макромолекули во биологијата и многу други области.

Јадрено оружје

Поголемиот број на ѕвезди, вклучувајќи го и Сонцето, генерираат енергија во поголемиот дел од својот живот со спојување на водород во потешки елементи; сепак таквото спојување на лесен водород (протиум) никогаш не била успешна во условите што може да се постигнат на Земјата. Така, целото вештачкои спојување, вклучувајќи го и онаа на водородот во водородните бомби, бара тежок водород (деутериум, тритиум или и двете).

Лекарства

Деутериран лек е медицински производ со мала молекула во кој еден или повеќе атоми на водород во молекулата на лекот се заменети со деутериум. Поради ефектот на кинетичкиот изотоп, лековите кои содржат деутериум може да имаат значително пониски стапки на метаболизам, а со тоа и подолг полураспад. Во 2017 година, деутетрабеназинот станал првиот деутериран лек кој доби одобрение од Управата за храна и лекови.

Засилени есенцијални хранливи материи

Деутериумот може да се користи за зацврстување на специфичните C-H врски ранливи на оксидација во рамките на есенцијалните или условно есенцијалните хранливи материи, како што се одредени аминокиселини или полинезаситени масни киселини (PUFA), што ги прави поотпорни на оксидативно оштетување. Деутерираните полинезаситени масни киселини, како што е линолеинската киселина, ја забавуваат верижната реакција на липидна пероксидација која ги оштетува живите клетки. Деутерираниот етил естер на линолеинска киселина (RT001), развиен од Retrotope, е во тест за сочувствителна употреба кај инфантилна невроаксонална дистрофија и успешно го завршил испитувањето од Фаза I/II во Фридрајхова атаксија.

Термостабилизација

Живите вакцини, како што е оралната полио вакцина, може да се стабилизираат со деутериум, или самостојно или во комбинација со други стабилизатори како што е MgCl₂.

Забавување на деноноќните колебања

Се покажало дека деутериумот го продолжува периодот на колебањена деноноќниот часовник кога се дозира кај стаорци, ’рчковци и динофлагелати Gonyaulax. Кај стаорците, хроничното внесување на 25% ²H₂ O го нарушува деноноќниот ритам со продолжување на деноноќниот период на ритмите зависни од супрахијазматичното јадро во хипоталамусот на мозокот. Експериментите со ’рчковците, исто така, ја поддржуваат теоријата дека деутериумот делува директно на супрахијазматичното јадро за да го продолжи слободниот деноноќен период.

Надворешни врски

• „Nuclear Data Center“. KAERI.
• „Annotated bibliography for deuterium“. ALSOS: The Digital Library for Nuclear Issues. Lexington, VA: Washington and Lee University. Архивирано од изворникот на 5 May 2010. Посетено на 26 November 2019.
• Mullins, Justin (27 April 2005). „Desktop nuclear fusion demonstrated“. New Scientist.
• Lloyd, Robin (21 August 2006). „Missing gas found in Milky Way“. Space.com.