In der Natur tritt das chemische Element Wasserstoff in Form der drei Isotope 1H (Protium), 2H (Deuterium, D) und 3H (Tritium, T) auf. Weitere, instabile Nuklide 4H bis 7H wurden künstlich erzeugt [d, e, f, g, h].
Natürlicher Wasserstoff ist damit ein Isotopengemisch aus Protium (99,985 %) und Deuterium (0,015 %) sowie einem zu vernachlässigenden Anteil an Tritium:
Natürlich auftretende Wasserstoff-Isotope
| Atommasse Ar | Anteil | Halbwertszeit | Spin | |
| Wasserstoff Isotopengemisch | 1,008 u | 100 % | ||
| Isotop 2H | 2,0141017781(8) u | 0,01 % | stabil | 1+ |
| Isotop 3H | 3,01604928132(8) u | Spuren | 12,32(2) Jahre | 1/2+ |
| Isotop 1H | 1,0078250322(6) u | 99,99 % | stabil | 1/2+ |
Protium
Von Protium oder leichtem Wasserstoff (früher auch: Haplogen) spricht man bei isotopenreinem Wasserstoff-1, 1H. Der Atomkern besteht aus nur einem Proton, ohne Neutronen, und stellt die häufigste Atomsorte im Universum dar.
Deuterium
Deuterium oder Schwerer Wasserstoff (früher auch: Diplogen) ist - neben Protium - ein stabiles Wasserstoff-Isotop mit einem Neutron im Atomkern. Der Deuteriumanteil am Wasserstoff auf der Erde variiert im Bereich von 0,0026 bis 0,0184 Atom-%.
Tritium
Tritium (auch: Überschwerer Wasserstoff; Superschwerer Wasserstoff; früher auch: Triplogen) ist ein nur in Spuren auftretendes Radioisotop. Das Vorkommen wird auf 1 Tritiumatom pro 1017 Protiumatome geschätzt. Auf der Erde findet man Tritium hauptsächlich in der Atmosphäre und im Wasser der Ozeane, gebildet durch Interaktion kosmischer Strahlung mit Atomen in der Erdatmosphäre, z. B.:
14N + n → 12C + 3H.
Künstlich kann Tritium durch Neutronenaktivierung von Lithium-6
6Li + n → 4He + 3H + 4,78 MeV
sowie durch Neutroneneinfang aus Deuterium in Schwerwasserreaktoren erzeugt werden. Darüber hinaus, jedoch in geringen Konzentrationen, tritt Tritium als Zerfallsprodukt von 3He sowie in bestimmten Fusionsreaktionen auf.
Tritium zerfällt unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos zu 2He; E0 = 18,57 keV.
Künstliche Wasserstoffisotope
Die in der Natur nicht nachgewiesenen Wasserstoffisotope H-4 bis H-7 sind alle sehr kurzlebig und wurden künstlich z. B.
* 4H - durch Beschuss von Tritium mit schnellen Deuteriumkernen,
* 5H - durch Beschuss von Tritium mit schnellen Tritiumkernen und
* 7H - durch Beschuss von Wasserstoff mit Helium-8 Atomen
hergestellt [d, e, f, g, h].
Quadium ist ein in der Literatur geprägter Name für Wasserstoff-4 [i].
Exotische Isotope
Siehe: Myonium, Mu; Antiwasserstoff, H.
Isotopentabelle: Wasserstoff
| Isotop Nuklid | Z | A | N | Name | Atommasse [Kernmasse] {Massenüberschuss} | Spin I (h/2π) | μ | A-Nuk |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 1H | 1 | 1 | 0 | Wasserstoff-1 | 1,0078250322(6) u [1,0072765 u] {7,28897 MeV} | 1/2+ | +2,792847351(28) | 9B |
| 2H | 1 | 2 | 1 | Wasserstoff-2 | 2,0141017781(8) u [2,0135532 u] {13,13572 MeV} | 1+ | + 0,857438231(5) | |
| 3H | 1 | 3 | 2 | Wasserstoff-3 | 3,01604928132(8) u [3,0155007 u] {14,94981 MeV} | 1/2+ | + 2,978962460(14) | 4H 5H |
| 4H | 1 | 4 | 3 | Wasserstoff-4 | 4,02643(11) u [4,0258814 u] {24,61939 MeV} | 2- | ||
| 5H | 1 | 5 | 4 | Wasserstoff-5 | 5,03531(10) u [5,0347614 u] {32,89105 MeV} | (1/2+) | ||
| 6H | 1 | 6 | 5 | Wasserstoff-6 | 6,04496(27) u [6,0444114 u] {41,87997 MeV} | (2-) | ||
| 7H | 1 | 7 | 6 | Wasserstoff-7 | 7,05275(108) u [7,0522014 u] {49,13631 MeV} | (1/2+) |
| Isotop | Zerfall (radioaktiver Zerfall) | AE | Mehr | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Halbwertszeit | Zerfallsart | Anteil | Energie | Info | ||
| 1 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| H-1 | stabil | AL | ||||
| H-2 | stabil | AL | ||||
| H-3 | 12,32(2) Jahre | β- zu 3He | 100 % | 0,018592(0) MeV | AL | |
| H-4 | 13,9 zs | n zu 3H | 100 % | 23,51(11) MeV | AL | |
| H-5 | 861 zs | 2n zu 3H | 100 % | 22,396(89) MeV | AL | |
| H-6 | 29,4 zs | n 5H | 100 % | 24,280 MeV | AL | |
| H-7 | 65,2 zs | 4n zu 3H | AL | |||
Erläuterungen zu den einzelnen Spalten:
1 - Symbol mit Nukleonenzahl.
2 - Z = Anzahl der Protonen (Ordnungszahl).
3 - Massenzahl A.
4 - N = Anzahl der Neutronen.
5 - Bezeichnung des Wasserstoff-Isotops; gegebenenfalls Trivialnamen.
6 - Relative Atommasse des Wasserstoff-Isotops (Isotopenmasse inklusive Elektronen) und in eckigen Klammern die Masse des Atomkerns (Kernmasse, Nuklidmasse ohne Elektronen), jeweils bezogen auf 12C = 12,00000 [2]. Zusätzlich ist der Massenüberschuss (Massenexzess) in MeV angegeben.
7 - Kernspin I, Einheit: h/2π.
8 - Kernmagnetisches Moment μmag.
9 - Ausgangsnuklide: Mögliche, angenommene oder tatsächliche Ausgangs-Nuklide (Mutternuklide, Elternnuklide). Die entsprechenden Zerfalls-Modi sind gegebenenfalls bei den Daten des jeweiligen Ausgangsnuklids zu finden.
10 - Zerfall: Halbwertszeiten des Wasserstoff-Isotops mit a = Jahre; ; d = Tage; h = Stunden; min = Minuten; s = Sekunden.
11 - Zerfall: Zerfallsart in die jeweiligen Tochternuklide mit n = Neutronenemission; p = Protonenemission; α = Alpha-Zerfall; ß- = Beta-Minus-Zerfall unter Elektronenemission; EE = Elektroneneinfang; ß+ = Positronenemission; ε = ß+ und/oder EE; Iso = Isomerieübergang; CZ = Cluster-Zerfall; SZ = Spontanzerfall.
12 - Zerfall: Zerfallsanteil in Prozent (%).
13 - Zerfall: Zerfallsenergie; Partikelenergie bezogen auf Zerfallsart.
14 - AE = Anregungsenergie für metastabile Kerne.
15 - Sonstige Informationen und Hinweise: AL = Weitere Niveaus, so genannte Adopted Levels (Verlinkung auf externe Daten [1]).
Sonstige:
()- Eingeklammerte Ziffern: Unsicherheit zur Darstellung der Streubreite des angegebenen Wertes.
~ - Theoretische Werte oder systematische Trends.
- ungelistet-: Nuklide, die in der Literatur bereits erwänhnt wurden, aber aus irgendwelchen Gründen in den aktuellen Nuklidtabellen nicht mehr zu finden sind, weil sich deren Entdeckung z. B. nicht bestätigt hat.
NMR-aktive Wasserstoff-Nuklide
| Nuklid Anteil Spin I | Kernmagnetisches Moment μ/μN | Gyromagnetisches Verhältnis 107 rad T-1 s-1 | Quadrupol- Moment Q [barn] | Resonanz- Frequenz v0 bei 1 T | Relative Empfindlichkeit H0 = const. v0 = const. * |
|---|---|---|---|---|---|
| 1H 99,99 % 1/2+ | +2,792847351(28) | 26,675222 | 42,5759 | 1,00000 1,00000 | |
| 2H 0,01 % 1+ | + 0,857438231(5) | 4,1066 | +0,0028578(3) | 6,5359 | 0,00965 0,4094 |
| 3H Spuren 1/2+ | + 2,978962460(14) | 28,535 | 45,4148 | 1,21354 1,0667 |
*) bezogen auf 1H = 1,000
Strahlenschutz
Für den Umgang mit den Wasserstoff-Radionukliden gelten gemäß Strahlenschutzverordnung (StrlSchV 2018) unter anderem folgende Werte (Spalten 1 bis 7):
| Nuklid | Freigrenzen | HRQ-Schwelle | OFK | Tochternuklide | Halbwertszeit | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| H-3 | 109 Bq | 100 Bq/g | 2000 TBq | 100 Bq/cm2 | - | 12,3 Jahre |
(HRQ = Hochradioaktive Quellen; OFK = Oberflächenkontamination)
Kernisobare Nuklide des Wasserstoffs
Zu den Wasserstoff-Nukliden isobare Atomkerne befinden sich in der jeweiligen Tabellenzeile; Z = Ordnungszahl; A = Nukleonenzahl (Massenzahl).
| Z: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| A | H | He | Li | Be | B |
| 1 | 1H | ||||
| 2 | 2H | ||||
| 3 | 3H | 3He | |||
| 4 | 4H | 4He | 4Li | ||
| 5 | 5H | 5He | 5Li | 5Be | |
| 6 | 6H | 6He | 6Li | 6Be | 6B |
| 7 | 7H | 7He | 7Li | 7Be | 7B |
Kernisotone Nuklide des Wasserstoffs
Die zu den Wasserstoff-Kernen isotonen Nuklide befinden sich in der jeweiligen Tabellenzeile; N = Anzahl der Neutronen.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 2H | 3H | 4H | 5H | 6H | 7H |
| 3He | 4He | 5He | 6He | 7He | 8He | |
| 4Li | 5Li | 6Li | 7Li | 8Li | 9Li | |
| 5Be | 6Be | 7Be | 8Be | 9Be | 10Be | |
| 6B | 7B | 8B | 9B | 10B | 11B | |
| 8C | 9C | 10C | 11C | 12C | ||
| 10N | 11N | 12N | 13N | |||
| 12O | 13O | 14O | ||||
| 14F | 15F | |||||
| 15Ne | 16Ne |
Literatur und Hinweise
Eigenschaften der Wasserstoff-Isotope
[1] - NuDat: National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, based on ENSDF and the Nuclear Wallet Cards.
[2] - G. Audi et. al.: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics, (2003), DOI 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
[3] - Live Chart of Nuclides. Nuclear structure and decay data.
Wasserstoff: Kernmagnetische Eigenschaften - 1H-NMR, 2H-NMR, 3H-NMR
[4] - N. J. Stone: Table of nuclear magnetic dipole and electric quadrupole moments. Atomic Data and Nuclear Data Tables, (2005), DOI 10.1016/j.adt.2005.04.001.
[5] - Pekka Pyykkö: Year-2008 nuclear quadrupole moments. Molecular Physics, (2008), DOI 10.1080/00268970802018367.
[6] - Pekka Pyykkö: Year-2017 nuclear quadrupole moments. Molecular Physics, (2018), DOI 10.1080/00268976.2018.1426131.
[7] - N. J. Stone: Table of recommended nuclear magnetic dipole moments. IAEA, (2019).
Weitere Quellen:
[8] - Isotopenhäufigkeiten, Atommassen und Isotopenmassen: Siehe unter dem jeweiligen Stichwort.
[9] - NN:
Wasserstoff-Isotopentrennung mit MOFs.
In: Internetchemie News, (2017), DOI https://www.internetchemie.info/news/2017/mar17/mof-wasserstoff-isotopentrennung.php.
Kategorie: Chemische Elemente
Letzte Änderung am 20.12.2022.
Permalink: https://www.internetchemie.info/chemische-elemente/wasserstoff-isotope.php.
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