Deutérium - Deuterium

Deutérium, hydrogène-2,  2 H
Hydrogène-2.svg
Isotope de deutérium mis en évidence sur une table tronquée de nucléides pour les numéros atomiques 1 à 29. Le nombre de neutrons commence à zéro et augmente vers le bas. Le nombre de protons commence à un et augmente vers la droite. Isotopes stables en bleu.
Général
symbole 2 heures
Noms deutérium, H-2, hydrogène-2, D
Protons 1
Neutrons 1
Données sur les nucléides
Abondance naturelle 0,0156% (Terre)
Masse isotopique 2,01410177811 u
Tournoyer 1 +
excès d'énergie 13135.720± 0,001 keV
Énergie de liaison 2224,52± 0,20 keV
Isotopes de l'hydrogène
Tableau complet des nucléides

Deutérium (ou hydrogène-2 , symbole2
H
ou

, également connu sous le nom d'hydrogène lourd ) est l'un des deux isotopes stables de l' hydrogène (l'autre étant le protium , ou hydrogène-1). Le noyau d'un atome de deutérium , appelé deutéron , contient un proton et un neutron , alors que le protium beaucoup plus commun n'a pas de neutrons dans le noyau. Le deutérium a une abondance naturelle dans les océans de la Terre d'environ un atome dans6420 d'hydrogène. Ainsi, le deutérium représente environ 0,0156 % (0,0312 % en masse) de tout l'hydrogène naturellement présent dans les océans, tandis que le protium représente plus de 99,98 %. L'abondance du deutérium varie légèrement d'un type d'eau naturelle à un autre (voir Vienna Standard Mean Ocean Water ).

Le nom deutérium est dérivé du grec deuteros , signifiant "second", pour désigner les deux particules composant le noyau. Le deutérium a été découvert et nommé en 1931 par Harold Urey . Lorsque le neutron a été découvert en 1932, cela a rendu évidente la structure nucléaire du deutérium, et Urey a remporté le prix Nobel en 1934 « pour sa découverte de l'hydrogène lourd ». Peu de temps après la découverte du deutérium, Urey et d'autres ont produit des échantillons d'« eau lourde » dans lesquels la teneur en deutérium avait été fortement concentrée.

Le deutérium est détruit à l'intérieur des étoiles plus rapidement qu'il n'est produit. On pense que d'autres processus naturels ne produisent qu'une quantité insignifiante de deutérium. Presque tout le deutérium trouvé dans la nature a été produit dans le Big Bang il y a 13,8 milliards d'années, car le rapport basique ou primordial de l'hydrogène-1 au deutérium (environ 26 atomes de deutérium par million d'atomes d'hydrogène) a son origine à partir de cette époque. C'est le rapport trouvé dans les planètes géantes gazeuses, telles que Jupiter. L'analyse des rapports deutérium-protium dans les comètes a trouvé des résultats très similaires au rapport moyen dans les océans de la Terre (156 atomes de deutérium par million d'atomes d'hydrogène). Cela renforce les théories selon lesquelles une grande partie de l'eau océanique de la Terre est d'origine cométaire. Le rapport deutérium-protium de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko , tel que mesuré par la sonde spatiale Rosetta , est environ trois fois supérieur à celui de l'eau terrestre. Ce chiffre est le plus élevé jamais mesuré dans une comète.

Les rapports deutérium-protium continuent donc d'être un sujet de recherche actif en astronomie et en climatologie.

Différences avec l'hydrogène commun (protium)

Symbole chimique

Le deutérium est fréquemment représenté par le symbole chimique D. Puisqu'il s'agit d'un isotope de l' hydrogène avec le numéro de masse 2, il est également représenté par2
H
. L'IUPAC permet à la fois D et2
H
, même si 2
H
est préféré. Un symbole chimique distinct est utilisé pour plus de commodité en raison de l'utilisation courante de l'isotope dans divers processus scientifiques. De plus, sa grande différence de masse avec le protium ( 1 H) (le deutérium a une masse de2,014 102  u , par rapport au poids atomique moyen d' hydrogène de1,007 947  u , et la masse de protium de1,007 825  u ) confère des dissemblances chimiques non négligeables avec les composés contenant du protium, alors que les rapports pondéraux isotopiques au sein d'autres éléments chimiques sont largement insignifiants à cet égard.

Spectroscopie

En mécanique quantique, les niveaux d'énergie des électrons dans les atomes dépendent de la masse réduite du système d'électron et de noyau. Pour l' atome d'hydrogène , le rôle de la masse réduite est le plus simplement vu dans le modèle de Bohr de l'atome, où la masse réduite apparaît dans un simple calcul de la constante de Rydberg et de l'équation de Rydberg, mais la masse réduite apparaît également dans l' équation de Schrödinger , et l' équation de Dirac pour le calcul des niveaux d'énergie atomique.

La masse réduite du système dans ces équations est proche de la masse d'un seul électron, mais en diffère d'une petite quantité à peu près égale au rapport de la masse de l'électron au noyau atomique. Pour l'hydrogène, cette quantité est d'environ 1837/1836, soit 1 000545, et pour le deutérium elle est encore plus faible : 3 671/3670, soit 1 0002725. Les énergies des raies spectroscopiques pour le deutérium et l'hydrogène léger ( hydrogène-1 ) diffèrent donc par les rapports de ces deux nombres, soit 1.000272. Les longueurs d'onde de toutes les raies spectroscopiques du deutérium sont plus courtes que les raies correspondantes de l'hydrogène léger, d'un facteur de 1.000272. En observation astronomique, cela correspond à un décalage Doppler bleu de 0,000272 fois la vitesse de la lumière, soit 81,6 km/s.

Les différences sont beaucoup plus prononcées dans la spectroscopie vibrationnelle telle que la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie Raman , et dans les spectres rotationnels tels que la spectroscopie micro-ondes car la masse réduite du deutérium est nettement supérieure à celle du protium. En spectroscopie de résonance magnétique nucléaire , le deutérium a une fréquence RMN très différente (par exemple 61 MHz lorsque le protium est à 400 MHz) et est beaucoup moins sensible. Les solvants deutérés sont généralement utilisés dans la RMN du protium pour empêcher le solvant de se chevaucher avec le signal, bien que la RMN du deutérium à elle seule soit également possible.

La nucléosynthèse du Big Bang

On pense que le deutérium a joué un rôle important dans l'établissement du nombre et des proportions des éléments qui se sont formés lors du Big Bang . En combinant la thermodynamique et les changements induits par l'expansion cosmique, on peut calculer la fraction de protons et de neutrons en fonction de la température au point où l'univers s'est suffisamment refroidi pour permettre la formation de noyaux . Ce calcul indique sept protons pour chaque neutron au début de la nucléogenèse , un rapport qui resterait stable même après la fin de la nucléogenèse. Cette fraction était initialement en faveur des protons, principalement parce que la masse plus faible du proton favorisait leur production. Au fur et à mesure que l'Univers s'étendait, il se refroidissait. Les neutrons et les protons libres sont moins stables que les noyaux d' hélium , et les protons et les neutrons avaient une forte raison énergétique pour former de l' hélium-4 . Cependant, la formation d'hélium-4 nécessite l'étape intermédiaire de formation de deutérium.

Pendant une grande partie des quelques minutes après le Big Bang au cours desquelles la nucléosynthèse aurait pu se produire, la température était suffisamment élevée pour que l'énergie moyenne par particule soit supérieure à l'énergie de liaison du deutérium faiblement lié ; par conséquent, tout deutérium qui s'est formé est immédiatement détruit. Cette situation est connue sous le nom de goulot d'étranglement du deutérium . Le goulot d'étranglement a retardé la formation de tout hélium-4 jusqu'à ce que l'Univers devienne suffisamment froid pour former du deutérium (à environ une température équivalente à 100 keV ). À ce stade, il y a eu une soudaine explosion de formation d'éléments (le premier deutérium, qui a immédiatement fusionné avec l'hélium). Cependant, très peu de temps après, vingt minutes après le Big Bang, l'Univers est devenu trop froid pour qu'une nouvelle fusion nucléaire et nucléosynthèse se produisent. À ce stade, les abondances élémentaires étaient presque fixes, le seul changement étant la désintégration de certains des produits radioactifs de la nucléosynthèse du Big Bang (comme le tritium ). Le goulot d'étranglement du deutérium dans la formation de l'hélium, ainsi que le manque de moyens stables pour que l'hélium se combine avec l'hydrogène ou avec lui-même (il n'y a pas de noyaux stables avec des nombres de masse de cinq ou huit) signifiait qu'une quantité insignifiante de carbone, ou de tout élément plus lourd que le carbone, formé dans le Big Bang. Ces éléments nécessitaient donc une formation en étoiles. Dans le même temps, l'échec d'une grande partie de la nucléogenèse pendant le Big Bang a assuré qu'il y aurait beaucoup d'hydrogène dans l'univers ultérieur disponible pour former des étoiles à longue durée de vie, telles que notre Soleil.

Abondance

Le deutérium se présente naturellement en quantités infimes sous forme de gaz deutérium , écrit2
H
2 ou D 2 , mais la plupart des atomes naturels de l' Univers sont liés par un1
H
atome, un gaz appelé deutéride d'hydrogène (HD ou1
H
2
H
).

L'existence du deutérium sur Terre, ailleurs dans le système solaire (comme le confirment les sondes planétaires), et dans les spectres des étoiles , est également une donnée importante en cosmologie . Le rayonnement gamma de la fusion nucléaire ordinaire dissocie le deutérium en protons et neutrons, et il n'y a aucun processus naturel connu autre que la nucléosynthèse du Big Bang qui aurait pu produire du deutérium à un niveau proche de son abondance naturelle observée. Le deutérium est produit par la désintégration rare des amas et l'absorption occasionnelle de neutrons naturels par l'hydrogène léger, mais ce sont des sources insignifiantes. On pense qu'il y a peu de deutérium à l'intérieur du Soleil et d'autres étoiles, car à ces températures, les réactions de fusion nucléaire qui consomment le deutérium se produisent beaucoup plus rapidement que la réaction proton-proton qui crée le deutérium. Cependant, le deutérium persiste dans l'atmosphère solaire externe à peu près à la même concentration qu'à Jupiter, et cela n'a probablement pas changé depuis l'origine du système solaire. L'abondance naturelle du deutérium semble être une fraction très similaire de l'hydrogène, où que l'on trouve de l'hydrogène, à moins qu'il n'y ait des processus évidents à l'œuvre qui le concentrent.

L'existence de deutérium à une fraction primordiale faible mais constante dans tout l'hydrogène est un autre des arguments en faveur de la théorie du Big Bang par rapport à la théorie de l' état stable de l'Univers. Les rapports observés entre l'hydrogène et l'hélium et le deutérium dans l'univers sont difficiles à expliquer, sauf avec un modèle du Big Bang. On estime que les abondances de deutérium n'ont pas évolué de manière significative depuis leur production il y a environ 13,8 milliards d'années. Les mesures du deutérium galactique de la Voie lactée à partir de l'analyse spectrale ultraviolette montrent un rapport allant jusqu'à 23 atomes de deutérium par million d'atomes d'hydrogène dans les nuages ​​de gaz non perturbés, ce qui n'est que de 15 % en dessous du rapport primordial estimé par le WMAP d'environ 27 atomes par million du Big Claquer. Cela a été interprété comme signifiant que moins de deutérium a été détruit dans la formation d'étoiles dans notre galaxie que prévu, ou peut-être que le deutérium a été reconstitué par une importante chute d'hydrogène primordial de l'extérieur de la galaxie. Dans l'espace à quelques centaines d'années-lumière du Soleil, l'abondance du deutérium n'est que de 15 atomes par million, mais cette valeur est vraisemblablement influencée par l'adsorption différentielle du deutérium sur les grains de poussière de carbone dans l'espace interstellaire.

L'abondance de deutérium dans l'atmosphère de Jupiter a été directement mesurée par la sonde spatiale Galileo à 26 atomes par million d'atomes d'hydrogène. Les observations ISO-SWS trouvent 22 atomes par million d'atomes d'hydrogène dans Jupiter. et cette abondance est considérée comme proche du rapport primordial du système solaire. Cela représente environ 17 % du rapport terrestre deutérium/hydrogène de 156 atomes de deutérium par million d'atomes d'hydrogène.

Des corps cométaires tels que la comète Hale-Bopp et la comète de Halley ont été mesurés pour contenir relativement plus de deutérium (environ 200 atomes D par million d'hydrogènes), des rapports qui sont enrichis par rapport au rapport présumé de la nébuleuse protosolaire, probablement en raison du chauffage, et qui sont similaires aux ratios trouvés dans l'eau de mer de la Terre. La mesure récente des quantités de deutérium de 161 atomes D par million d'hydrogène dans la comète 103P/Hartley (un ancien objet de la ceinture de Kuiper ), un rapport presque exactement celui des océans de la Terre, met l'accent sur la théorie selon laquelle l'eau de surface de la Terre pourrait être en grande partie dérivée de la comète. Plus récemment, le rapport deutérium-protium (D-H) de 67P/Churyumov-Gerasimenko tel que mesuré par Rosetta est environ trois fois supérieur à celui de l'eau terrestre, un chiffre élevé. Cela a suscité un regain d'intérêt pour les suggestions selon lesquelles l'eau de la Terre pourrait être en partie d'origine astéroïde.

On a également observé que le deutérium était concentré sur l'abondance solaire moyenne d'autres planètes telluriques, en particulier Mars et Vénus.

Production

Le deutérium est produit à des fins industrielles, scientifiques et militaires, en commençant par de l'eau ordinaire, dont une petite fraction est de l'eau lourde d'origine naturelle, puis en séparant l'eau lourde par le procédé Girdler au sulfure , la distillation ou d'autres méthodes.

En théorie, le deutérium pour l'eau lourde pourrait être créé dans un réacteur nucléaire, mais la séparation de l'eau ordinaire est le procédé de production en vrac le moins cher.

Le principal fournisseur mondial de deutérium était Énergie atomique du Canada limitée jusqu'en 1997, date à laquelle la dernière usine d'eau lourde a été fermée. Le Canada utilise de l'eau lourde comme modérateur de neutrons pour le fonctionnement de la conception du réacteur CANDU .

L'Inde est un autre grand producteur d'eau lourde. Toutes les centrales nucléaires indiennes sauf une sont des centrales à eau lourde sous pression, qui utilisent de l'uranium naturel (c'est-à-dire non enrichi). L'Inde possède huit usines d'eau lourde, dont sept sont en service. Six usines, dont cinq en exploitation, sont basées sur l'échange D-H dans du gaz ammoniac. Les deux autres usines extraient le deutérium de l'eau naturelle dans un processus qui utilise du sulfure d'hydrogène gazeux à haute pression.

Alors que l'Inde est autosuffisante en eau lourde pour son propre usage, l'Inde exporte désormais également de l'eau lourde de qualité réacteur.

Propriétés

Propriétés physiques

Par rapport à l'hydrogène dans sa composition naturelle sur Terre, le deutérium pur (D 2 ) a un point de fusion plus élevé (18,72 K vs 13,99 K), un point d'ébullition plus élevé (23,64 K vs 20,27 K), une température critique plus élevée (38,3 K vs 32,94). K) et une pression critique plus élevée (1,6496 MPa vs 1,2858 MPa).

Les propriétés physiques des composés de deutérium peuvent présenter des effets isotopiques cinétiques importants et d'autres différences de propriétés physiques et chimiques par rapport aux analogues du protium. D 2 O , par exemple, est plus visqueux que H 2 O . Chimiquement, il existe des différences d'énergie de liaison et de longueur pour les composés d'isotopes lourds d'hydrogène par rapport au protium, qui sont plus grandes que les différences isotopiques de tout autre élément. Les liaisons impliquant le deutérium et le tritium sont un peu plus fortes que les liaisons correspondantes dans le protium, et ces différences sont suffisantes pour provoquer des changements significatifs dans les réactions biologiques. Les entreprises pharmaceutiques s'intéressent au fait que le deutérium est plus difficile à éliminer du carbone que le protium.

Le deutérium peut remplacer le protium dans les molécules d'eau pour former de l'eau lourde (D 2 O), qui est environ 10,6 % plus dense que l'eau normale (de sorte que la glace qui en est faite coule dans l'eau ordinaire). L'eau lourde est légèrement toxique chez les animaux eucaryotes , avec 25 % de substitution de l'eau corporelle causant des problèmes de division cellulaire et de stérilité, et 50 % de substitution causant la mort par syndrome cytotoxique (insuffisance médullaire et insuffisance de la muqueuse gastro-intestinale). Les organismes procaryotes , cependant, peuvent survivre et se développer dans de l'eau lourde pure, bien qu'ils se développent lentement. Malgré cette toxicité, la consommation d'eau lourde dans des circonstances normales ne constitue pas une menace pour la santé des humains. On estime qu'une personne de 70 kg (154 lb) peut boire 4,8 litres (1,3 gal US) d'eau lourde sans conséquences graves. De petites doses d'eau lourde (quelques grammes chez l'homme, contenant une quantité de deutérium comparable à celle normalement présente dans l'organisme) sont couramment utilisées comme traceurs métaboliques inoffensifs chez l'homme et l'animal.

Propriétés quantiques

Le deutéron a un spin +1 (" triplet state ") et est donc un boson . La fréquence RMN du deutérium est significativement différente de celle de l'hydrogène léger commun. La spectroscopie infrarouge différencie également facilement de nombreux composés deutérés, en raison de la grande différence de fréquence d'absorption IR observée dans la vibration d'une liaison chimique contenant du deutérium, par rapport à l'hydrogène léger. Les deux isotopes stables de l'hydrogène peuvent également être distingués en utilisant la spectrométrie de masse .

Le triplet du nucléon deutéron est à peine lié à E B =2,23 MeV , et aucun des états d'énergie supérieure n'est lié. Le deutéron singulet est un état virtuel, avec une énergie de liaison négative de~60 keV . Il n'y a pas de telle particule stable, mais cette particule virtuelle existe de manière transitoire pendant la diffusion inélastique neutron-proton, ce qui explique la section efficace de diffusion des neutrons inhabituellement grande du proton.

Propriétés nucléaires (le deutéron)

Masse et rayon du Deutéron

Le noyau de deutérium est appelé deutéron . Il a une masse de2.013 553 212 745 (40) u (un peu plus1,875 GeV ).

Le rayon de charge du deutéron est2.127 99 (74)  fm .

Comme le rayon du proton , les mesures utilisant le deutérium muonique produisent un résultat plus petit :2.125 62 (78)  fm .

Tourbillon et énergie

Le deutérium est l'un des cinq nucléides stables avec un nombre impair de protons et un nombre impair de neutrons. (2
H
, 6
Li
, dix
B
, 14
N
, 180m
Ta
; aussi, les radionucléides à vie longue40
K
, 50
V
, 138
La
, 176
Lu
se produisent naturellement.) La plupart des noyaux impairs-impairs sont instables en ce qui concerne la désintégration bêta , car les produits de désintégration sont pairs-pairs et sont donc plus fortement liés, en raison des effets d'appariement nucléaire . Le deutérium, cependant, bénéficie du fait que son proton et son neutron sont couplés à un état de spin-1, ce qui donne une attraction nucléaire plus forte ; l'état de spin-1 correspondant n'existe pas dans le système à deux neutrons ou à deux protons, en raison du principe d'exclusion de Pauli qui exigerait que l'une ou l'autre particule identique avec le même spin ait un autre nombre quantique différent, comme orbital moment angulaire . Mais le moment angulaire orbital de l'une ou l'autre particule donne une énergie de liaison plus faible pour le système, principalement en raison de la distance croissante des particules dans le gradient abrupt de la force nucléaire. Dans les deux cas, cela rend les noyaux diprotons et dineutrons instables .

Le proton et le neutron composant le deutérium peuvent être dissociés par des interactions de courant neutre avec les neutrinos . La section efficace de cette interaction est relativement grande et le deutérium a été utilisé avec succès comme cible de neutrinos dans l' expérience de l'observatoire de neutrinos de Sudbury .

Le deutérium diatomique (D 2 ) a des isomères de spin nucléaire ortho et para comme l'hydrogène diatomique, mais avec des différences dans le nombre et la population d'états de spin et de niveaux de rotation , qui se produisent parce que le deutéron est un boson avec un spin nucléaire égal à un.

État singulet isospin du deutéron

En raison de la similitude de masse et de propriétés nucléaires entre le proton et le neutron, ils sont parfois considérés comme deux types symétriques du même objet, un nucléon . Alors que seul le proton a une charge électrique, celle-ci est souvent négligeable en raison de la faiblesse de l' interaction électromagnétique par rapport à l' interaction nucléaire forte . La symétrie reliant le proton et le neutron est connue sous le nom d' isospin et notée I (ou parfois T ).

Isospin est une symétrie SU(2) , comme le spin ordinaire , et lui est donc complètement analogue. Le proton et neutron, dont chacun possède iso spin - 1 / 2 , forment un doublet isospin (analogue à un doublet de spin ), avec un état « bas » (↓) étant un neutron et un état « haut » (↑) étant un proton. Une paire de nucléons peut être soit dans un état antisymétrique d'isospin appelé singulet , soit dans un état symétrique appelé triplet . En termes d'état "down" et d'état "up", le singulet est

, qui peut aussi s'écrire :

Il s'agit d'un noyau avec un proton et un neutron, c'est-à-dire un noyau de deutérium. Le triplet est

et se compose donc de trois types de noyaux, qui sont supposés être symétriques : un noyau de deutérium (en fait un état hautement excité de celui-ci), un noyau à deux protons et un noyau à deux neutrons. Ces états ne sont pas stables.

Fonction d'onde approximative du deutéron

La fonction d'onde deuton doit être antisymétrique si la représentation isospin est utilisée (puisqu'un proton et un neutron ne sont pas des particules identiques, la fonction d'onde n'a pas besoin d'être antisymétrique en général). Outre leur isospin, les deux nucléons ont également des distributions de spin et spatiales de leur fonction d'onde. Ce dernier est symétrique si le deutéron est symétrique sous parité (ie a une parité « paire » ou « positive ») et antisymétrique si le deutéron est antisymétrique sous parité (ie a une parité « impaire » ou « négative »). La parité est entièrement déterminée par le moment angulaire orbital total des deux nucléons : s'il est pair, la parité est paire (positive), et si elle est impaire, la parité est impaire (négative).

Le deutéron, étant un singulet d'isospin, est antisymétrique sous l'échange de nucléons en raison de l'isospin, et doit donc être symétrique sous le double échange de leur spin et de leur localisation. Par conséquent, il peut être dans l'un des deux états suivants :

  • Spin symétrique et symétrique sous parité. Dans ce cas, l'échange des deux nucléons multipliera la fonction d'onde du deutérium par (−1) à partir de l'échange isospin, (+1) à partir de l'échange de spin et (+1) à partir de la parité (échange de localisation), pour un total de (−1 ) selon les besoins pour l'antisymétrie.
  • Spin antisymétrique et sous parité antisymétrique. Dans ce cas, l'échange des deux nucléons multipliera la fonction d'onde du deutérium par (−1) à partir de l'échange isospin, (−1) à partir de l'échange de spin et (−1) à partir de la parité (échange de localisation), encore une fois pour un total de (− 1) au besoin pour l'antisymétrie.

Dans le premier cas le deutéron est un triplet de spin, de sorte que son spin total s est égal à 1. Il a aussi une parité paire et donc un moment cinétique orbital pair l  ; Plus son moment angulaire orbital est faible, plus son énergie est faible. Par conséquent, l'état d'énergie le plus bas possible a s = 1 , l = 0 .

Dans le second cas, le deutéron est un singulet de spin, de sorte que son spin total s est égal à 0. Il a également une parité impaire et donc un moment angulaire orbital impair l . Par conséquent, l'état d'énergie le plus bas possible a s = 0 , l = 1 .

Puisque s = 1 donne une attraction nucléaire plus forte, l' état fondamental du deutérium est dans l'état s =1 , l = 0 .

Les mêmes considérations conduisent aux états possibles d'un triplet isospin ayant s = 0 , l = pair ou s = 1 , l = impair . Ainsi, l'état d'énergie la plus basse a s = 1 , l = 1 , supérieur à celui du singulet isospin.

L'analyse qui vient d'être donnée n'est en fait qu'approximative, à la fois parce que l'isospin n'est pas une symétrie exacte, et surtout parce que l' interaction nucléaire forte entre les deux nucléons est liée au moment angulaire dans l' interaction spin-orbite qui mélange différents états s et l . C'est-à-dire que s et l ne sont pas constants dans le temps (ils ne commutent pas avec l' hamiltonien ), et avec le temps un état tel que s = 1 , l = 0 peut devenir un état de s = 1 , l = 2 . La parité est toujours constante dans le temps, de sorte que ceux-ci ne se mélangent pas avec des états l impairs (tels que s = 0 , l = 1 ). Par conséquent, l' état quantique du deutérium est une superposition (une combinaison linéaire) de l'état s = 1 , l = 0 et de l'état s = 1 , l = 2 , même si le premier composant est beaucoup plus gros. Puisque le moment cinétique total j est également un bon nombre quantique (c'est une constante dans le temps), les deux composantes doivent avoir le même j , et donc j = 1 . C'est le spin total du noyau de deutérium.

Pour résumer, le noyau de deutérium est antisymétrique en isospin, et de spin 1 et même (+1) de parité. Le moment angulaire relatif de ses nucléons l n'est pas bien défini, et le deutéron est une superposition de la plupart du temps l = 0 avec quelques l = 2 .

Multipôles magnétiques et électriques

Afin de trouver théoriquement le moment dipolaire magnétique du deutérium μ, on utilise la formule pour un moment magnétique nucléaire

avec

g (l) et g (s) sont des facteurs g des nucléons.

Comme le proton et le neutron ont des valeurs différentes pour g (l) et g (s) , il faut séparer leurs contributions. Chacun obtient la moitié du moment angulaire et du spin orbital du deutérium . On arrive à

où les indices p et n représentent le proton et le neutron, et g (l) n = 0 .

En utilisant les mêmes identités que ici et en utilisant la valeur g (l) p = 1 , on arrive au résultat suivant, en unités de magnéton nucléaire μ N

Pour l'état s = 1 , l = 0 ( j = 1 ), on obtient

Pour l'état s = 1 , l = 2 ( j = 1 ), on obtient

La valeur mesurée du moment dipolaire magnétique du deutérium , est0,857 N , soit 97,5% de la0,879 μ N valeur obtenue en ajoutant simplement les moments du proton et du neutron. Cela suggère que l'état du deutérium est en effet à une bonne approximation s = 1 , l = 0 état, ce qui se produit avec les deux nucléons tournant dans la même direction, mais leurs moments magnétiques se soustrayant à cause du moment négatif du neutron.

Mais le nombre expérimental légèrement inférieur à celui qui résulte de la simple addition de moments de proton et de neutrons (négatifs) montre que le deutérium est en fait une combinaison linéaire de la plupart des états s = 1 , l = 0 avec un léger mélange de s = 1 , l = 2 état.

Le dipôle électrique est nul comme d'habitude .

Le quadripôle électrique mesuré du deutérium est0,2859  e · fm 2 . Alors que l'ordre de grandeur est raisonnable, puisque le rayon du deutérium est de l'ordre de 1 femtomètre (voir ci-dessous) et sa charge électrique est e, le modèle ci-dessus ne suffit pas à son calcul. Plus précisément, le quadripôle électrique n'obtient pas de contribution de l'état l =0 (qui est l'état dominant) et obtient une contribution d'un terme mélangeant les états l =0 et l =2 car l' opérateur quadripôle électrique ne ne commute pas avec le moment cinétique .

Cette dernière contribution est dominante en l'absence d'une contribution pure l = 0 , mais ne peut être calculée sans connaître la forme spatiale exacte de la fonction d'onde des nucléons à l'intérieur du deutérium.

Des moments multipolaires magnétiques et électriques plus élevés ne peuvent pas être calculés par le modèle ci-dessus, pour des raisons similaires.

Applications

Le deutérium a un certain nombre d'utilisations commerciales et scientifiques. Ceux-ci inclus:

Réacteurs nucléaires

Deutérium ionisé dans un réacteur à fusion dégageant sa lueur rouge-rosé caractéristique

Le deutérium est utilisé dans les réacteurs à fission modérés à l'eau lourde , généralement sous forme de D 2 O liquide , pour ralentir les neutrons sans la forte absorption de neutrons de l'hydrogène ordinaire. Il s'agit d'une utilisation commerciale courante pour de plus grandes quantités de deutérium.

Dans les réacteurs de recherche , le D 2 liquide est utilisé dans les sources froides pour modérer les neutrons aux très basses énergies et aux longueurs d'onde appropriées pour les expériences de diffusion .

Expérimentalement, le deutérium est le nucléide le plus couramment utilisé dans les conceptions de réacteurs à fusion nucléaire, en particulier en combinaison avec le tritium , en raison de la grande vitesse de réaction (ou section efficace nucléaire ) et du rendement énergétique élevé de la réaction D-T. Il y a un rendement encore plus élevé D–3
Il
réaction de fusion, bien que le seuil de rentabilité de D–3
Il
est supérieur à celui de la plupart des autres réactions de fusion ; avec la rareté de3
Il
, cela le rend peu plausible en tant que source d'énergie pratique jusqu'à ce qu'au moins des réactions de fusion D-T et D-D aient été réalisées à une échelle commerciale. La fusion nucléaire commerciale n'est pas encore une technologie aboutie.

Spectroscopie RMN

Le deutérium est le plus couramment utilisé dans la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire de l' hydrogène ( RMN du proton ) de la manière suivante. La RMN nécessite généralement que les composés d'intérêt soient analysés tels qu'ils sont dissous en solution. En raison des propriétés de spin nucléaire du deutérium qui diffèrent de l'hydrogène léger habituellement présent dans les molécules organiques, les spectres RMN de l'hydrogène/protium sont très différenciables de celui du deutérium et, en pratique, le deutérium n'est pas « vu » par un instrument RMN réglé pour l'hydrogène léger. . Les solvants deutérés (dont l'eau lourde, mais aussi des composés comme le chloroforme deutéré, CDCl 3 ) sont donc couramment utilisés en spectroscopie RMN, afin de ne permettre de mesurer que les spectres d'hydrogène léger du composé d'intérêt, sans interférence solvant-signal.

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire peut également être utilisée pour obtenir des informations sur l'environnement du deutéron dans des échantillons marqués par des isotopes ( RMN du deutérium ). Par exemple, la flexibilité de la queue, qui est une longue chaîne hydrocarbonée, dans les molécules lipidiques marquées au deutérium peut être quantifiée à l'aide de la RMN du deutérium à l'état solide.

Les spectres RMN du deutérium sont particulièrement informatifs à l'état solide en raison de son moment quadripolaire relativement faible par rapport à ceux de noyaux quadripolaires plus gros tels que le chlore-35, par exemple.

Tracé

En chimie , en biochimie et en sciences de l' environnement , le deutérium est utilisé comme traceur isotopique stable non radioactif , par exemple dans le test de l' eau doublement marqué . Dans les réactions chimiques et les voies métaboliques , le deutérium se comporte de manière assez similaire à l'hydrogène ordinaire (avec quelques différences chimiques, comme indiqué). Il se distingue le plus facilement de l'hydrogène ordinaire par sa masse, en utilisant la spectrométrie de masse ou la spectrométrie infrarouge . Le deutérium peut être détecté par spectroscopie infrarouge femtoseconde , car la différence de masse affecte considérablement la fréquence des vibrations moléculaires ; les vibrations de la liaison deutérium-carbone se trouvent dans des régions spectrales exemptes d'autres signaux.

Les mesures de petites variations des abondances naturelles de deutérium, ainsi que celles des isotopes lourds stables de l'oxygène 17 O et 18 O, sont importantes en hydrologie , pour retracer l'origine géographique des eaux de la Terre. Les isotopes lourds de l'hydrogène et de l'oxygène dans l'eau de pluie (dite eau météorique ) s'enrichissent en fonction de la température environnementale de la région dans laquelle tombent les précipitations (et donc l'enrichissement est lié à la latitude moyenne). L'enrichissement relatif des isotopes lourds dans l'eau de pluie (par référence à l'eau océanique moyenne), lorsqu'il est représenté par rapport à la température, tombe de manière prévisible le long d'une ligne appelée ligne météorique globale des eaux (GMWL). Ce graphique permet d'identifier des échantillons d'eau provenant des précipitations ainsi que des informations générales sur le climat d'origine. Les processus d'évaporation et autres dans les masses d'eau, ainsi que les processus des eaux souterraines, modifient également de manière différentielle les rapports d'isotopes lourds d'hydrogène et d'oxygène dans les eaux douces et salées, de manière caractéristiques et souvent distinctes au niveau régional. Le rapport de concentration de 2 H à 1 H est généralement indiqué avec un delta comme δ 2 H et les modèles géographiques de ces valeurs sont tracés sur des cartes appelées isoscapes. Les isotopes stables sont incorporés dans les plantes et les animaux et une analyse des ratios chez un oiseau ou un insecte migrateur peut aider à suggérer un guide approximatif de leurs origines.

Propriétés de contraste

Les techniques de diffusion des neutrons profitent particulièrement de la disponibilité d'échantillons deutérés : les sections efficaces H et D sont très distinctes et de signes différents, ce qui permet une variation de contraste dans de telles expériences. De plus, un problème gênant de l'hydrogène ordinaire est sa grande section efficace de neutrons incohérente, qui est nulle pour D. La substitution d'atomes de deutérium par des atomes d'hydrogène réduit ainsi le bruit de diffusion.

L'hydrogène est un composant important et majeur dans tous les matériaux de la chimie organique et des sciences de la vie, mais il interagit à peine avec les rayons X. Comme l'hydrogène (et le deutérium) interagissent fortement avec les neutrons, les techniques de diffusion des neutrons, associées à une installation de deutération moderne, occupent une place dans de nombreuses études sur les macromolécules en biologie et dans de nombreux autres domaines.

Armes nucléaires

Ceci est discuté ci-dessous. Il est à noter que bien que la plupart des étoiles, y compris le Soleil, génèrent de l'énergie pendant la majeure partie de leur vie en fusionnant de l'hydrogène en éléments plus lourds, une telle fusion d'hydrogène léger (protium) n'a jamais réussi dans les conditions réalisables sur Terre. Ainsi, toute fusion artificielle, y compris la fusion d'hydrogène qui se produit dans les bombes à hydrogène, nécessite de l'hydrogène lourd (soit du tritium, soit du deutérium, ou les deux) pour que le processus fonctionne.

Médicaments

Un médicament deutéré est un médicament à petite molécule dans lequel un ou plusieurs atomes d' hydrogène contenus dans la molécule de médicament ont été remplacés par du deutérium. En raison de l' effet isotopique cinétique , les médicaments contenant du deutérium peuvent avoir des taux de métabolisme significativement plus faibles , et donc une demi-vie plus longue . En 2017, la deutétrabénazine est devenue le premier médicament deutéré à recevoir l'approbation de la FDA.

Nutriments essentiels renforcés

Le deutérium peut être utilisé pour renforcer des liaisons CH spécifiques vulnérables à l'oxydation au sein de nutriments essentiels ou conditionnellement essentiels , tels que certains acides aminés ou acides gras polyinsaturés (AGPI), les rendant plus résistants aux dommages oxydatifs. Les acides gras polyinsaturés deutérés , comme l'acide linoléique , ralentissent la réaction en chaîne de la peroxydation lipidique qui endommage les cellules vivantes. L'ester éthylique deutéré de l'acide linoléique ( RT001 ), développé par Retrotope, fait l'objet d'un essai d'utilisation compassionnelle dans la dystrophie neuroaxonale infantile et a terminé avec succès un essai de phase I/II dans l'ataxie de Friedreich .

Thermostabilisation

Les vaccins vivants, tels que le vaccin antipoliomyélitique oral , peuvent être stabilisés par le deutérium, seul ou en combinaison avec d'autres stabilisants tels que le MgCl 2 .

Ralentissement des oscillations circadiennes

Il a été démontré que le deutérium allonge la période d'oscillation de l'horloge circadienne lorsqu'il est administré à des rats, des hamsters et des dinoflagellés Gonyaulax . Chez le rat, l'apport chronique de 25 % de D 2 O perturbe la rythmicité circadienne en allongeant la période circadienne des rythmes dépendant du noyau suprachiasmatique dans l'hypothalamus du cerveau. Des expériences sur des hamsters soutiennent également la théorie selon laquelle le deutérium agit directement sur le noyau suprachiasmatique pour allonger la période circadienne libre.

Histoire

Suspicion d'isotopes d'éléments plus légers

L'existence d'isotopes non radioactifs d'éléments plus légers avait été suspectée dans des études sur le néon dès 1913, et prouvée par spectrométrie de masse d'éléments légers en 1920. La théorie dominante à l'époque était que les isotopes d'un élément diffèrent par l'existence de protons supplémentaires. dans le noyau accompagné d'un nombre égal d' électrons nucléaires . Dans cette théorie, le noyau de deutérium de masse deux et de charge un contiendrait deux protons et un électron nucléaire. Cependant, il était prévu que l'élément hydrogène avec une masse atomique moyenne mesurée très proche de1 u , la masse connue du proton, a toujours un noyau composé d'un seul proton (une particule connue), et ne peut contenir un deuxième proton. Ainsi, on pensait que l'hydrogène n'avait pas d'isotopes lourds.

Deutérium détecté

Harold Urey , découvreur du deutérium

Il a été détecté pour la première fois par spectroscopie à la fin de 1931 par Harold Urey , chimiste à l'Université de Columbia . Le collaborateur d'Urey, Ferdinand Brickwedde , a distillé cinq litres d' hydrogène liquide produit par cryogénie pourml de liquide, en utilisant le laboratoire de physique à basse température qui avait récemment été créé au National Bureau of Standards à Washington, DC (maintenant le National Institute of Standards and Technology ). La technique avait déjà été utilisée pour isoler les isotopes lourds du néon. La technique d'évaporation cryogénique a concentré la fraction de l'isotope de masse-2 de l'hydrogène à un degré qui a rendu son identification spectroscopique sans ambiguïté.

Dénomination de l'isotope et prix Nobel

Urey a créé les noms protium , deutérium et tritium dans un article publié en 1934. Le nom est basé en partie sur les conseils de GN Lewis qui avait proposé le nom "deutium". Le nom est dérivé du grec deuteros ('second'), et le noyau s'appelle "deuteron" ou "deuton". Les isotopes et les nouveaux éléments recevaient traditionnellement le nom choisi par leur découvreur. Certains scientifiques britanniques, comme Ernest Rutherford , voulaient que l'isotope soit appelé "diplogen", du grec diploos ("double"), et que le noyau soit appelé "diplon".

La quantité déduite pour l'abondance normale de cet isotope lourd de l'hydrogène était si faible (seulement environ 1 atome sur 6400 atomes d'hydrogène dans l'eau de mer (156 deutériums par million d'hydrogènes)) qu'elle n'avait pas sensiblement affecté les mesures précédentes de la masse atomique (moyenne) de l'hydrogène. . Cela expliquait pourquoi il n'avait pas été suspecté expérimentalement auparavant. Urey a pu concentrer l'eau pour montrer un enrichissement partiel en deutérium. Lewis avait préparé les premiers échantillons d'eau lourde pure en 1933. La découverte du deutérium, venant avant la découverte du neutron en 1932, a été un choc expérimental pour la théorie, mais lorsque le neutron a été signalé, rendant l'existence du deutérium plus explicable, le deutérium a gagné Urey le prix Nobel de chimie en 1934. Lewis était aigri d'être ignoré pour cette reconnaissance donnée à son ancien élève.

Expériences « de l'eau lourde » pendant la Seconde Guerre mondiale

Peu de temps avant la guerre, Hans von Halban et Lew Kowarski ont déplacé leurs recherches sur la modération des neutrons de la France vers la Grande-Bretagne, faisant passer en contrebande tout l'approvisionnement mondial en eau lourde (qui avait été fabriqué en Norvège) dans vingt-six fûts en acier.

Pendant la Seconde Guerre mondiale , l'Allemagne nazie était connue pour mener des expériences utilisant de l'eau lourde comme modérateur pour la conception d' un réacteur nucléaire . De telles expériences étaient une source de préoccupation car elles pourraient leur permettre de produire du plutonium pour une bombe atomique . En fin de compte, cela a conduit à l' opération alliée appelée « sabotage à l'eau lourde norvégienne », dont le but était de détruire l' installation de production/d'enrichissement de deutérium de Vemork en Norvège. À l'époque, cela était considéré comme important pour le progrès potentiel de la guerre.

Après la fin de la Seconde Guerre mondiale, les Alliés ont découvert que l'Allemagne ne mettait pas autant d'efforts sérieux dans le programme qu'on le pensait auparavant. Ils avaient été incapables de soutenir une réaction en chaîne. Les Allemands n'avaient achevé qu'un petit réacteur expérimental en partie construit (qui avait été caché). À la fin de la guerre, les Allemands n'avaient même pas un cinquième de la quantité d'eau lourde nécessaire pour faire fonctionner le réacteur, en partie à cause de l'opération norvégienne de sabotage à l'eau lourde. Cependant, même si les Allemands avaient réussi à faire fonctionner un réacteur (comme les États-Unis l'ont fait avec un réacteur au graphite fin 1942), ils auraient encore été à au moins plusieurs années du développement d'une bombe atomique . Le processus d'ingénierie, même avec un effort et un financement maximaux, a nécessité environ deux ans et demi (du premier réacteur critique à la bombe) aux États-Unis et en URSS , par exemple.

Dans les armes thermonucléaires

Le boîtier de l'appareil "Sausage" de la bombe Ivy Mike H , attaché à l'instrumentation et à l'équipement cryogénique. La bombe de 20 pieds de haut contenait un flacon de Dewar cryogénique pouvant contenir 160 kg de deutérium liquide.

L' engin Ivy Mike de 62 tonnes construit par les États-Unis et explosé le 1er novembre 1952, fut la première « bombe à hydrogène » (bombe thermonucléaire) pleinement réussie . Dans ce contexte, c'était la première bombe dans laquelle la majeure partie de l'énergie libérée provenait d' étages de réaction nucléaire qui ont suivi l' étage de fission nucléaire primaire de la bombe atomique . La bombe Ivy Mike était un bâtiment semblable à une usine, plutôt qu'une arme livrable. En son centre, une très grande fiole à vide cylindrique isolée ou cryostat , contenait du deutérium liquide cryogénique dans un volume d'environ 1000 litres (160 kilogrammes en masse, si ce volume avait été complètement rempli). Ensuite, une bombe atomique conventionnelle (la "primaire") à une extrémité de la bombe a été utilisée pour créer les conditions de température et de pression extrêmes qui étaient nécessaires pour déclencher la réaction thermonucléaire .

En quelques années, des bombes à hydrogène dites « sèches » ont été développées qui n'avaient pas besoin d'hydrogène cryogénique. Les informations publiées suggèrent que toutes les armes thermonucléaires construites depuis lors contiennent des composés chimiques de deutérium et de lithium à leurs stades secondaires. Le matériau qui contient le deutérium est principalement du deutérure de lithium , le lithium étant constitué de l'isotope lithium-6 . Lorsque le lithium-6 est bombardé par les neutrons rapides de la bombe atomique, du tritium (hydrogène-3) est produit, puis le deutérium et le tritium s'engagent rapidement dans la fusion thermonucléaire , libérant une énergie abondante, de l' hélium-4 et encore plus de neutrons libres. .

Recherche moderne

En août 2018, des scientifiques ont annoncé la transformation du deutérium gazeux en une forme métallique liquide . Cela pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les planètes gazeuses géantes , telles que Jupiter, Saturne et les exoplanètes apparentées , car on pense que ces planètes contiennent une grande quantité d'hydrogène métallique liquide, qui peut être responsable de leurs puissants champs magnétiques observés .

Données pour le deutérium élémentaire

Formule : D 2 ou2
1
H
2

  • Densité: 0,180 kg/m 3 à STP (0°C ,101,325 kPa ).
  • Poids atomique: 2.014 101 7926  u .
  • Abondance moyenne dans l'eau de mer (d'après VSMOW ) 155,76 ± 0,1 ppm (un rapport de 1 partie pour environ 6420 parties), c'est-à-dire environ0,015% des atomes dans un échantillon (en nombre, pas en poids)

Données à environ 18 K pour D 2 ( triple point ) :

  • Densité:
    • Liquide: 162,4 kg/ m3
    • Gaz: 0,452 kg/ m3
  • Viscosité: 12,6  μPa·s à300 K (phase gazeuse)
  • Capacité thermique massique à pression constante c p :
    • Solide: 2950 J/(kg·K)
    • Gaz: 5200 J/(kg·K)

Antideutérium

Un antideutéron est la contrepartie antimatière du noyau de deutérium, constitué d'un antiproton et d'un antineutron . L' antideutéron a été produit pour la première fois en 1965 au synchrotron à protons du CERN et au synchrotron à gradient alterné du Brookhaven National Laboratory . Un atome complet, avec un positon en orbite autour du noyau, serait appelé antideutérium , mais en 2019, l'antideutérium n'a pas encore été créé. Le symbole proposé pour l'antideutérium est

, c'est-à-dire D avec une barre supérieure.

Voir également

Les références

Liens externes


Briquet :
hydrogène-1
Le deutérium est un
isotope de l' hydrogène
Plus lourd :
Tritium
Produit de désintégration de :
Chaîne
de désintégration du deutérium
Se décompose en :
Stable