El deuterio, también llamado el el hidrógeno pesado, es un isótopo estable del hidrógeno con una abundancia natural en los océanos de la tierra de aproximadamente un átomo en 6500 de hidrógeno (~154 PPM ). El deuterio explica así aproximadamente 0.015% (sobre una base del peso, 0.030%) de todo el hidrógeno natural en los océanos en la tierra (véase el VSMOW ; la abundancia cambia levemente a partir de una clase de agua natural a otra). La abundancia del deuterio en Júpiter es cerca de 6 átomos en 10.06% bases del átomo); estos cocientes reflejan probablemente los cocientes solares tempranos de la nebulosa, y ésos después de Big Bang. Hay poco deuterio dentro Sun, puesto que las reacciones termonucleares lo destruyen. Sin embargo, continúa persistiendo en la atmósfera solar externa en áspero la misma concentración que en Júpiter.
El núcleo del deuterio, llamado un deuterón, contiene un protón y un neutrón, mientras que el núcleo lejos más común del hidrógeno no contiene ninguÌn neutrón. El nombre del isótopo se forma del " griego del significado de los deuteros del ; second", para denotar las dos partículas que abarcan el núcleo.
El deuterio ocurre en cantidades de rastro naturalmente como gas del deuterio, escrito ² H2 o D2, pero la mayoría de la ocurrencia natural en el universo se enlaza con un átomo típico de ¹ H, un gas llamado el deuteride del hidrógeno (HD o ¹ H ² H).
La existencia del deuterio en la tierra, a otra parte en la Sistema Solar (según lo confirmado por las puntas de prueba planetarias), y en los espectros de las estrellas es un dato importante en el cosmología . La fusión estelar destruye el deuterio, y no hay procesos naturales sabidos (por ejemplo, ver el raro arracimar el decaimiento ), con excepción del nucleosynthesis de Big Bang, que pudo haber producido el deuterio en cualquier cosa cerca de la abundancia natural observada de deuterio. Esta abundancia parece ser una fracción muy similar del hidrógeno, dondequiera que se encuentre el hidrógeno. Así, la existencia del deuterio está una de las discusiones a favor de la teoría de Big Bang sobre la teoría de estado estacionario del universo.
El " principal del mundo; producer" de deuterio (técnico, simplemente enriquecedor o concentrador del deuterio) estaba el Canadá, hasta 1997 cuando la planta pasada fue cerrada (véase más en el artículo del agua pesada ). Canadá utiliza el agua pesada como asesor del neutrón para la operación del diseño del reactor CANDU. La India ahora es probablemente el concentrador más grande del mundo del agua pesada, también usado en reactores de energía atómica.
Las características físicas de los compuestos del deuterio pueden ser diferentes de los análogos del hidrógeno; por ejemplo, el D2O es más viscoso que el H2O .
El deuterio se comporta químicamente semejantemente al hidrógeno ordinario, pero hay diferencias en energía en enlace y la longitud para los compuestos de los isótopos del hidrógeno pesado que son más grandes que las diferencias isotópicas en cualquier otro elemento. Los enlaces que implican el deuterio y el tritio son algo más fuertes que los enlaces correspondientes en hidrógeno ligero, y estas diferencias son bastantes para realizar cambios significativos en reacciones biológicas (véase el agua pesada ).
El deuterio puede substituir el hidrógeno normal en moléculas de agua para formar el agua pesada (D2O), que es cerca de 10.6% más densos del agua normal (bastante que el hielo hecho de ella hunde en agua ordinaria). El agua pesada es levemente tóxica en animales eucarióticos, con la substitución del 25% del agua del cuerpo que causa problemas y esterilidad de la división de célula, y la substitución del 50% que causa muerte por el síndrome citotóxico (falta de la médula y falta de alineación gastrointestinal). Los organismos procarióticos, sin embargo, pueden sobrevivir y crecer en agua pesada pura (aunque crecen más lentamente). La consumición del agua pesada no plantearía una amenaza de la salud a los seres humanos a menos que mismo las granes cantidades (superior a 10 litros) fueran consumidas durante muchos días. Las pequeñas dosis del agua pesada (algunos gramos en seres humanos, conteniendo una cantidad de deuterio comparable a ésa normalmente presente en el cuerpo) se utilizan rutinario como trazalíneas metabólicos inofensivos en seres humanos y animales.
El deuterón tiene vuelta +1 y es así un bosón . La frecuencia RMN del deuterio es perceptiblemente diferente del hidrógeno ligero común. La espectroscopia infrarroja también distingue fácilmente muchos compuestos deuterizados, debido a la diferencia grande en la frecuencia de la absorción del IR considerada en la vibración de un vínculo químico que contiene el deuterio, contra el hidrógeno ligero. Los dos isótopos estables del hidrógeno pueden también ser distinguidos usando la espectrometría total .
El deuterio es uno de solamente cuatro núclidos estables con un número impar de protones y el número impar de neutrones. (2H, 6Li, 10B, 14N; también, los núclidos radiactivos duraderos 40K, 50V, 138La, 180mTa ocurren naturalmente.) La mayoría de los núcleos impar-impares son inestables con respecto al decaimiento beta, porque los productos de decaimiento son uniforme-uniformes, y por lo tanto están limitados más fuerte, debido a los efectos de apareamiento nucleares . Deuterio, sin embargo, ventajas del hacer su protón y neutrón juntar a un estado spin-1, que da una atracción nuclear más fuerte; el estado de correspondencia no existe en el sistema del dos-neutrón o del dos-protón, debido al principio de exclusión de Pauli que requeriría uno o a la otra partícula para tener cierto ímpetu angular orbital . Pero eso requeriría ímpetu angular orbital y energía cinética, de modo que tengan una energía total más alta (debido a su energía cinética y porque su distancia sería una su energía de enlace más grande y más bajo). En ambos casos, esto encajona el núcleo del diprotón y del di-neutrón para ser el inestable.
Debido a la semejanza en características totales y nucleares entre el protón y el neutrón, se consideran a veces como dos tipos simétricos del mismo objeto, un nucleón . Mientras que solamente el protón tiene una carga eléctrica, esto es a menudo deuda insignificante de la debilidad de la interacción electromágnetica concerniente a la interacción nuclear fuerte . La simetría que relaciona el protón y el neutrón se conoce como la isospina y .
La isospina es un SU (2) la simetría de, como la vuelta ordinaria, es tan totalmente análoga a ella. El protón y el neutrón forman un doblete de la isospina, con un " down" indicar el de que es un neutrón, y un " up" indicar el de que es un protón .
Un par de los nucleones puede estar en un estado antisimétrico de la isospina llamada la camiseta, o en un estado simétrico llamado el trío . En términos de " down" estado y " up" indicar, la camiseta es grande Esto es un núcleo con un protón y un neutrón, es decir un núcleo del deuterio.
El trío es Y consiste en así tres tipos de núcleos, que se suponen para ser simétricos - un núcleo del deuterio (realmente alto un estado emocionado de él), un núcleo con dos protones y un núcleo con dos neutrones los 3ultimos dos núcleos no son establo o casi establo, y por lo tanto así que es este tipo de deuterio (significado que es de hecho alto un estado emocionado del deuterio).
El total Wavefunction del protón y del neutrón debe ser el antisimétrico, porque son ambos fermios aparte de su isospina, los dos nucleones que también tienen la vuelta y distribuciones espaciales de su Wavefunction . Este 3ultimo es simétrico si el deuterón es simétrico bajo paridad (es decir tener un " even" o " positive" la paridad), y antisimétrico si el deuterón es antisimétrico bajo paridad (es decir tiene un " odd" o " negative" paridad). La paridad es determinada completamente por el ímpetu angular orbital total de los dos nucleones si es incluso entonces la paridad está incluso (positivo), y si es impar entonces la paridad es impar (negativo).
El deuterón, siendo una camiseta de la isospina, es antisimétrico bajo intercambio de los nucleones debido a la isospina, y por lo tanto debe ser simétrico bajo intercambio doble de su vuelta y de localización. Por lo tanto puede estar en cualquiera de los dos diversos estados siguientes:
Vuelta simétrica y paridad inferior simétrica . En este caso, el intercambio de los dos nucleones multiplicará el Wavefunction del deuterio cerca (- 1) de intercambio de la isospina, (+1) de intercambio de la vuelta y (+1) de la paridad (intercambio de la localización), para un total de (- 1) según lo necesitado para antisymmetry.
Vuelta antisimétrica y paridad inferior antisimétrica . En este caso, el intercambio de los dos nucleones multiplicará el Wavefunction del deuterio cerca (- 1) de intercambio de la isospina, (- 1) del intercambio de la vuelta y (- 1) de la paridad (intercambio de la localización), otra vez para un total de (- 1) según lo necesitado para antisymmetry.
En el primer caso que el deuterón tiene está un trío de la vuelta, de modo que su total s de la vuelta sea 1. También tiene incluso una paridad y por lo tanto incluso orbital l del ímpetu angular ; El más bajo su ímpetu angular orbital, el más bajo su energía. Por lo tanto el estado de energía posible más bajo tiene s =1, l =0.
En el segundo caso que el deuterón tiene está una camiseta de la vuelta, de modo que su total s de la vuelta sea 0. También tiene una paridad impar y por lo tanto orbital l del ímpetu angular impar. Por lo tanto el estado de energía posible más bajo tiene s =0, l =1.
Puesto que el s =1 da una atracción nuclear más fuerte, el estado de tierra del deuterio está en el s =1, l estado de =0.
Las mismas consideraciones llevan a los estados posibles de un trío de la isospina que tiene s =0, l =even o el s =1, l =odd de . Así el estado de la energía más baja tiene s =1, l =1, más arriba que el de la camiseta de la isospina .
El análisis apenas dado es de hecho solamente aproximado, ambos porque la isospina no es una simetría exacta, y más importantemente porque la interacción nuclear fuerte entre los dos nucleones se relaciona con el ímpetu angular en una manera que mezcle diverso s y el l estados de . Es decir, el s y el l no son constantes a tiempo ( no conmutan con el hamiltoniano), y en un cierto plazo un estado tal como s =1, l =0 puede convertirse en un estado del s =1, l paridad de =2. sigue siendo constante a tiempo así que éstos no se mezclan con el impar l estados de (tales como s =0, l =1). Por lo tanto el estado de Quantum del deuterio es una superposición (una combinación linear) s =1, del l estado de =0 y del s =1, l estado de =2, aunque el primer componente es mucho más grande. Desde el j del ímpetu angular del total es también un buen número de Quantum (es un constante a tiempo), ambos componentes debe tener el mismo j, y por lo tanto j =1. Ésta es la vuelta total del núcleo del deuterio.
Para resumir, el núcleo del deuterio es antisimétrico en términos de isospina, y tiene vuelta 1 e incluso (+1) paridad. El ímpetu angular relativo de su l de los nucleones no está bien definido, y el deuterio es una superposición sobre todo del l =0 con un cierto l =2.
Para encontrar teóricamente el del momento de dipolo magnético del deuterio, uno utiliza la fórmula para un con
g(l) y g(s) son los G-factores de los nucleones
Desde el protón y el neutrón tienen diversos valores para g(l) y g(s), uno debe separar sus contribuciones. Cada uno consigue la mitad del del ímpetu angular del deuterio y . Uno llega donde los subíndices p y n representan el protón y el neutrón, y g(l)n = 0.
Usando las mismas identidades que el aquí y usando el valor g(l)p = 1 en unidades nucleares del magneton, llegamos el resultado siguiente, en el
Para el s =1, l j =1 del estado de =0 y nosotros conseguir, en el
Para el s =1, el l estado de =2 con el j =1 que conseguimos, en el
El valor medido del momento de dipolo magnético del deuterio, en unidades nucleares del magneton, es 0. Esto sugiere que el estado del deuterio sea de hecho solamente aproximadamente el s =1, l estado de =0, y sea realmente una combinación linear (sobre todo) de este estado con el s =1, l estado de =2.
El dipolo eléctrico es cero como generalmente.
El eléctrico medido Quadropole del deuterio es 0.2859 fm ² de e, donde está la carga e eléctrica del protón y el fm es fermi . Mientras que la orden de la magnitud es razonable, puesto que el radio del deuterio está de orden de 1 fermi (véase abajo) y su carga eléctrica es e, el modelo antedicho no es suficiente para su cómputo. Más específicamente, el eléctrico Quadropole no consigue una contribución del l estado de =0 (que es el dominante) y consigue una contribución de un término que mezcla el l =0 y el l estados de =2, porque el operador Quadrupole eléctrico no conmuta con el ímpetu angular . La 3ultima contribución es dominante en la ausencia de un puro l contribución de =0, pero no puede ser calculada sin saber la forma espacial exacta Wavefunction de los nucleones dentro del deuterio.
Momentos de varios polos más altos magnético y eléctrico no se pueden calcular por el modelo antedicho, por razones similares.
considera también:
nuclear del tamaño
La raíz cuadrada del radio ajustado medio del deuterio, medido experimental, es