Väteisotoper

De tre mest stabila väteisotoperna: protium (A = 1), deuterium (A = 2) och tritium (A = 3).

Väteisotoper är isotoper av grundämnet väte (H), det vill säga atomer och kärnor med 1 proton och olika antal neutroner.

Isotoper

Väte har för närvarande 7 kända isotoper, varav 2 är stabila och 5 är instabila. Tre isotoper är naturligt förekommande, nämligen ¹H, ²H och ³H. De två första är stabila, medan den tredje har en halveringstid på 12,33 år. Alla tyngre isotoper (⁴H, ⁵H, ⁶H och ⁷H) är syntetiska och har en halveringstid på mindre än en zeptosekund. Av dessa är ⁵H mest stabil, medan ⁷H är minst stabil. ²H bildades under primordial nukleosyntes och ³H bildas under inverkan av kosmisk strålning på ²H i de övre skikten av atmosfären.

Förutom ¹H är ³He den enda stabila nukliden med fler protoner än neutroner.

Väte är det enda grundämnet som har isotoper med olika namn som är i allmänt bruk idag. ¹H brukar kallas för protium, ²H för deuterium och ³H för tritium. Symbolerna P, D och T används ibland istället för ¹H, ²H respektive ³H. IUPAC avråder från användning av de alternativa namnen (och symbolerna) – även om de är vanliga – eftersom det kan orsaka problem i alfabetisk sortering av kemiska formler. Ibland kallas ²He för diproton, men det är betydligt ovanligare. Under de tidiga studierna av radioaktivitet gavs även några tunga radioaktiva isotoper namn, men dessa används sällan idag.

Väte-1 (protium)

Protium, den vanligaste väteisotopen, består av en proton och en elektron. Unikt bland alla stabila isotoper, saknar den neutroner – se vidare diproton för en diskussion om varför andra inte existerar.

¹H eller protium (P) är den vanligaste väteisotopen med en relativ fraktion på 99,9885 % av alla vätekärnor. Dess isotopmassa är 1,00782503207(10) u. Protonen har aldrig observerats sönderfalla, och ¹H anses därför vara en stabil isotop. Några partikelfysikteorier förutspår att protonsönderfall kan förekomma med en halveringstid på i storleksordningen 10³⁶ år. Om denna förutsägelse visar sig vara sann, innebär det att protium (och faktiskt alla kärnor som nu anses vara stabila) enbart är observationellt stabila. Till dags dato har dock försök visat att om protonsönderfall sker måste halveringstiden vara större än 6,6 × 10³³ år.

Väte-2 (deuterium)

En deuteriumatom innehåller en proton, en neutron och en elektron.

²H eller deuterium (D) är den andra stabila väteisotopen, och innehåller en proton och en neutron i sin kärna. Dess isotopmassa är 2,0141017778(4) u. Kärnan i deuterium kallas för deuteron. I prover tagna på jorden utgör deuterium 0,0026–0,0184 % (26–184 ppm) av antalet väteatomer – det lägre antalet tenderar att finnas i vätgas och det högre (0,015 % eller 150 ppm) i havsvatten. Deuteriumkoncentrationen på jorden är högre än den ursprungliga koncentrationen i Big Bang och yttre solsystemet (cirka 27 ppm, atomfraktion) och koncentrationen i äldre delar av Vintergatan (cirka 23 ppm). Den högre koncentration av deuterium i det inre solsystemet beror förmodligen på att deuteriumgas och föreningar med deuterium är mindre flyktiga så att deuterium anrikats i kometer och planeter som under miljarder år utsatts för värme från solen.

Deuterium är inte radioaktivt och utgör inte någon betydande risk med avseende på toxicitet. Vatten som anrikats på molekyler som innehåller deuterium i stället för protium kallas för tungt vatten. Deuterium och dess föreningar används som en icke-radioaktiv märkning i kemiska experiment och i lösningsmedel för ¹H-NMR-spektroskopi. Tungt vatten används som neutronmoderator (och kylmedel) för kärnreaktorer. Deuterium är också ett potentiellt bränsle för kommersiell kärnfusion.

Väte-3 (tritium)

En tritiumatom innehåller en proton, två neutroner och en elektron.

³H eller tritium (T) innehåller en proton och två neutroner i sin kärna. Det är radioaktivt, och sönderfaller till ³He genom β⁻-sönderfall med en halveringstid på 12,33 år. Små mängder tritium förekommer naturligt på grund av interaktion mellan kosmisk strålning och atmosfäriska gaser. Tritium har också skapats under kärnvapenprov. Det används i termonukleära fusionsvapen, som spårämne i isotopgeokemi, och i självdrivna belysningsanordningar.

Den vanligaste metoden för framställning av tritium är genom att bombardera en naturlig isotop av litium, ⁶Li, med neutroner i en kärnreaktor.

Tritium användes förut rutinmässigt i kemiska och biologiska märkningsexperiment som en radiomärkning, men det har blivit mindre vanligt på senare tid. DT-kärnfusion använder tritium som huvudreaktant, tillsammans med deuterium, som befriar energi genom viktförlusten som uppstår när de två kärnorna kolliderar och fusion vid höga temperaturer.

Väte-4

⁴H innehåller en proton och tre neutroner i sin kärna. Det är en mycket instabil väteisotop. Det har syntetiserats i laboratorium genom att bombardera tritium med snabbrörliga deuteriumkärnor. I detta experiment, fångade tritiumkärnan in en neutron från den snabbrörliga deuteriumkärnan. Närvaron av ⁴H härleddes genom att detektera de emitterade protonerna. Dess atommassa är 4,02781 ± 0,00011 u. Det sönderfaller genom neutronemission till ³H (tritium) med en halveringstid på cirka 139 yoktosekunder.

I den satiriska romanen The Mouse That Roared (1955), gavs namnet kvadium (engelska: quadium) till ⁴H.

Väte-5

⁵H innehåller en proton och fyra neutroner i sin kärna. Det är en mycket instabil väteisotop. Det har syntetiserats i laboratorium genom att bombardera tritium med snabbrörliga tritiumkärnor. I detta experiment, fångade tritiumkärnan in två neutroner från den snabbrörliga andra tritiumkärnan. Den resterande protonen detekteras, och förekomsten av ⁵H kan genom detta härledas. Det sönderfaller genom dubbel neutronemission till ³H (tritium) med en halveringstid på cirka 910 yoktosekunder.

Väte-6

⁶H sönderfaller antingen genom trippel neutronemission till tritium eller kvadrippel neutronemission till deuterium med en halveringstid på cirka 290 yoktosekunder.

Väte-7

⁷H innehåller en proton och sex neutroner i sin kärna. Det syntetiserades först 2003 av en grupp ryska, japanska och franska forskare vid RIKEN genom att bombardera väte med ⁸He-atomer. I den resulterande reaktionen donerades alla sex av ⁸He:s neutroner till vätekärnan. De två återstående protoner detekterades av RIKEN-teleskopet, en anordning som består av flera skikt av sensorer, placerad bakom RI Beam-cyklotronen. ⁷H har en halveringstid på 23 yoktosekunder.

Tabell

Nuklid	Z	N	Massa (u)	Halveringstid	ST (%)	SE (MeV)	SP	Spinn	Förekomst (%)
1H / P (Protium)	1	0	1,00782503207(10)	Stabil				½+	99,9885(70)
2H / D (Deuterium)	1	1	2,0141017778(4)	Stabil				1+	0,0115(70)
3H / T (Tritium)	1	2	3,0160492777(25)	12,33 a	β−	0,01861	3He	½+	10−15
4H	1	3	4,02781(11)	9,93696 × 10−23 s	n	4,6(9)	3H	2−
5H	1	4	5,03531(11)	8,01930 × 10−23 s	n		3H	(½+)
6H	1	5	6,04494(28)	3,265 × 10−22 s	n	1,6(4)	2H	(2−)
7H	1	6	7,05275(108)#	2,3(6) × 10−23 s	n	20,(5)	3H	(½+)

Anmärkningar

• Stabila isotoper anges i fetstil.
• Värden markerade med # härrör inte enbart från experimentella data, men åtminstone delvis från systematiska trender.
• Osäkerheter anges i kort form i parentes efter värdet. Osäkerhetsvärden anger en standardavvikelse, utom isotopsammansättningen och standardatommassa från IUPAC, som använder expanderade osäkerhet.
• Nuklidmassor är givna av IUPAP Commission on Symbols, Units, Nomenclature, Atomic Masses and Fundamental Constants (SUNAMCO).
• Isotopförekomster är givna av IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.

Sönderfallskedjor

Majoriteten av de tunga väteisotoperna sönderfaller direkt till ³H (tritium), som sedan sönderfaller till den stabila isotopen ³He. Men ⁶H har emellanåt observerats sönderfalla direkt till en stabil ²H (deuterium).

$\mathrm {{}_{1}^{3}H} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {12.32a} }}\ \mathrm {{}_{2}^{3}He} +\mathrm {e{}_{}^{-}}$

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

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

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

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

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

Observera att sönderfallstiderna är angivna i yoktosekunder för alla isotoper utom ³H, som uttrycks i år.

Se även

• Väteatom
• Tungt vatten

Källor

---

• Isotopmassor:
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). ”The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”. Nuclear Physics 729: sid. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf. 
• Isotopsammansättning och standardatommassa:
  • J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman and P. D. P. Taylor (2003). ”Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry 75 (6): sid. 683–800. doi:10.1351/pac200375060683. http://www.iupac.org/publications/pac/75/6/0683/pdf/. 
  • M. E. Wieser (2006). ”Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry 78 (11): sid. 2051–2066. doi:10.1351/pac200678112051. http://iupac.org/publications/pac/78/11/2051/pdf/. 
• Spinn och isomerdata:
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). ”The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”. Nuclear Physics A 729: sid. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf. 
  • National Nuclear Data Center. ”NuDat 2.1 database”. Brookhaven National Laboratory. http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/. Läst 1 september 2005. 
  • N. E. Holden (2004). ”Table of the Isotopes, Section 11”. i D. R. Lide. CRC Handbook of Chemistry and Physics (85th). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9 

Vidare läsning

• B. Dumé (7 mars 2003). ”Hydrogen-7 makes its debut”. Physics World. http://physicsworld.com/cws/article/news/2003/mar/07/hydrogen-7-makes-its-debut. 

Externa länkar

• Wikimedia Commons har media som rör Väteisotoper.
  Bilder & media