نظائر الهيدروجين

للهيدروجين ( _{¹H ) ثلاثة} نظائر طبيعية : ^¹H و² H ^و³ H. يُعدّ ^{كل من ¹H و² H مستقرين} ، بينما يبلغ عمر النصف ^لـ³ H حوالي 100000.12.32 سنة. ^{[ 4 ] [ ملاحظة 1 ]} توجد أيضًا نظائر أثقل؛ جميعها اصطناعية ويبلغ عمر النصف لها أقل من 1 زيبتوثانية (10⁻²¹ ^ثانية  ). ^{[ 5 ] [ 6 ]}

الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي لا تزال نظائره تحمل أسماءً مختلفة شائعة الاستخدام حتى اليوم: ^2H هو الديوتيريوم ^{[ 7 ]} و ³ H هو التريتيوم . ^{[ 8 ]} يُستخدم الرمزان D وT أحيانًا للديوتيريوم والتريتيوم؛ يقبل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC ) هذه الرموز، ولكنه يوصي باستخدام الرموز النظيرية القياسية ^2H و ³ H، لتجنب الالتباس في الترتيب الأبجدي للصيغ الكيميائية . ^{[ 9 ] قد يُطلق على 1H} ، الذي لا يحتوي على نيوترونات ، اسم البروتيوم للتوضيح. ^{[ 10 ]} خلال الدراسات المبكرة للنشاط الإشعاعي، أُطلقت أسماء على بعض النظائر المشعة الثقيلة الأخرى ، ولكن نادرًا ما تُستخدم هذه الأسماء اليوم.

^1H (الكتلة الذرية )يُعدّ البروتون ( 1.007825031898 (14) Da )  أكثر نظائر الهيدروجين شيوعًا، حيث تزيد وفرته عن  99.98%. تتكون نواته من بروتون واحد فقط ، ولذلك يُطلق عليه رسميًا اسم البروتون .

لم يُرصد اضمحلال البروتون مطلقًا، لذا يُعتبر نظير الهيدروجين ^{-1 مستقرًا. وهو النظير المستقر الوحيد الذي لا يحتوي على نيوترونات. وتتوقع بعض} نظريات التوحيد الكبرى، التي طُرحت في سبعينيات القرن الماضي، أن اضمحلال البروتون يمكن أن يحدث بنصف عمر يتراوح بين10 ²⁸ و10-36 سنة. ^{[ 15 ]} إذا كان الأمر كذلك، فإن ^ذرة الهيدروجين (وجميع النوى التي يُعتقد الآن أنها مستقرة) مستقرة فقط ^من الناحية الرصدية . اعتبارًا من عام 2018، أظهرت التجارب أن متوسط ​​عمر البروتون أكبر من 3.6 × 10 ²⁹ سنة. ^{[ 16 ]}

الديوتيريوم ، ^2H (الكتلة الذرية )2.014 101 777 844 (15) Da  )، وهو نظير الهيدروجين المستقر الآخر، يحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد في نواته، يُسمى الديوتيريوم. يشكل ^2H ما بين 26 و184 جزءًا في المليون (نسبةً إلى عدد الذرات، وليس كتلتها) من الهيدروجين على الأرض؛ وتوجد النسبة الأقل عادةً في غاز الهيدروجين، بينما تُعدّ النسبة الأعلى (150  جزءًا في المليون) نموذجيةً لمياه البحر . وقد ازداد تركيز الديوتيريوم على الأرض مقارنةً بتركيزه الأولي في الانفجار العظيم والنظام الشمسي الخارجي (حوالي  27  جزءًا في المليون، نسبةً إلى الذرات) والأجزاء القديمة من مجرة ​​درب التبانة (حوالي  23  جزءًا في المليون). يُفترض أن اختلاف تركيز الديوتيريوم في النظام الشمسي الداخلي يعود إلى انخفاض تطاير غاز الديوتيريوم ومركباته، مما أدى إلى زيادة تركيز الديوتيريوم في المذنبات والكواكب التي تعرضت لحرارة كبيرة من الشمس على مدى مليارات السنين من تطور النظام الشمسي .

الديوتيريوم ليس عنصرًا مشعًا، ولا يُشكل خطرًا سميًا كبيرًا. يُطلق على الماء المُخصب ^{بالديوتيريوم} اسم الماء الثقيل . يُستخدم الديوتيريوم ومركباته كعلامة غير مشعة في التجارب الكيميائية، وفي المذيبات المستخدمة في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ^{للبروتون} . يُستخدم الماء الثقيل كمُهدئ للنيوترونات ومُبرد للمفاعلات النووية. كما يُعد الديوتيريوم وقودًا محتملاً للاندماج النووي التجاري .

التريتيوم ، ^3H (الكتلة الذرية )3.016 049 281 320 (81) Da  )، يحتوي على بروتون واحد ونيوترونين في نواته (يُسمى تريتون ). وهو عنصر مشع ، يتحلل β ⁻ إلى هيليوم-3 بنصف عمر12.32  سنة . ^{[ ملاحظة 1 ] [ 4 ]} توجد آثار من الهيدروجين ^-3 بشكل طبيعي نتيجة تفاعل الأشعة الكونية مع الغازات الجوية. كما تم إطلاق الهيدروجين ^{-3 في} التجارب النووية . ويُستخدم في القنابل الاندماجية ، وكعنصر تتبع في علم الجيوكيمياء النظائرية ، وفي أجهزة الإضاءة ذاتية التشغيل .

الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج ^3H هي قصف نظير طبيعي لليثيوم ، ^6Li ، بالنيوترونات في مفاعل نووي .

يمكن استخدام التريتيوم في تجارب الوسم الكيميائي والبيولوجي كمتتبع مشع . ^{[ 17 ] [ 18 ]} يستخدم اندماج الديوتيريوم-التريتيوم ^2H و ³ H كمتفاعلات رئيسية، مما ينتج عنه طاقة من خلال فقدان الكتلة عندما تصطدم النواتان وتندمجان عند درجات حرارة عالية.

^4H ( الكتلة الذرية )4.026 43 (11) Da  )، الذي يحتوي على بروتون واحد وثلاثة نيوترونات، هو نظير غير مستقر للغاية . تم تصنيعه في المختبر عن طريق قذف التريتيوم بديوترونات سريعة الحركة؛ ^{[ 19 ]} حيث التقط التريتون نيوترونًا من الديوتريوم. تم استنتاج وجود ^4H من خلال الكشف عن البروتونات المنبعثة. يتحلل هذا النظير عن طريق انبعاث النيوترونات إلى ^3H بنصف عمر يبلغ139(10) سنة  (1.39(10) × 10 ⁻²²  ثانية ).

في الرواية الساخرة التي صدرت عام 1955 بعنوان "الفأر الذي زأر" ، أُطلق اسم "كواديوم" على مادة ^4H التي كانت تُشغل قنبلة كيو التي استولت عليها دوقية غراند فينويك من الولايات المتحدة.

^5H ( الكتلة الذرية )5.035 31 (10) Da  )، الذي يحتوي على بروتون واحد وأربعة نيوترونات، غير مستقر للغاية. تم تصنيعه في المختبر عن طريق قذف التريتيوم بتريتونات سريعة الحركة؛ ^{[ 19 ] [ 20 ]} حيث يلتقط تريتون واحد نيوترونين من الآخر، ليصبح نواة تحتوي على بروتون واحد وأربعة نيوترونات. يمكن الكشف عن البروتون المتبقي، واستنتاج وجود ^5H . يتحلل هذا العنصر بانبعاث نيوترونين إلى ^3H وله عمر نصف يبلغ86(6) سنة  (8.6(6) × 10 ⁻²³  ثانية ) - أقصر عمر نصف لأي نظير معروف. ^{[ 4 ]}

^6H ( الكتلة الذرية )يحتوي العنصر (6.044 96 (27) Da  ) على بروتون واحد وخمسة نيوترونات . ويبلغ عمر النصف له 6.044 96 (27) Da294(67) سنة  (2.94(67) × 10 ⁻²²  ثانية ). في عام 2025، تم إنتاج ^6H  باستخدام حزمة إلكترونية بطاقة 855 ميغا إلكترون فولت اصطدمت بهدف من ^7Li . ^{[ 21 ]}

^7H ( الكتلة الذرية )يحتوي نظير الهيدروجين 7H (7.052 75 (108) Da  ) على بروتون واحد وستة نيوترونات . تم تصنيعه لأول مرة عام 2003 بواسطة مجموعة من العلماء الروس واليابانيين والفرنسيين في مصنع شعاع النظائر المشعة التابع لمعهد ريكين ، وذلك بقذف الهيدروجين بذرات الهيليوم-8 ؛ حيث انتقلت جميع نيوترونات الهيليوم-8 الستة إلى نواة الهيدروجين. تم رصد البروتونين المتبقيين بواسطة "تلسكوب ريكين"، وهو جهاز يتكون من عدة طبقات من أجهزة الاستشعار، موضوع خلف هدف سيكلوترون شعاع النظائر المشعة. ^{[ 6 ]} يبلغ عمر النصف لنظير الهيدروجين ^{7H حوالي 108 دالتون.}652(558) ys  (6.52(558) × 10 ⁻²²  ثانية ). ^{[ 4 ]}

^{يتحلل كل من 4H} و ⁵ H مباشرةً إلى ^3H ، والذي يتحلل بدوره إلى ^3He المستقر . أما تحلل أثقل النظائر، ^6H و ⁷ H، فلم يُرصد تجريبياً. ^{[ 1 ]}$${\displaystyle {\begin{array}{rcl}\\{\ce {^{3}_{1}H}}&{\ce {->[12.32\ {\ce {y}}]}}&{\ce {{^{3}_{2}He}+e^{-}}}\\{\ce {^{4}_{1}H}}&{\ce {->[139\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{5}_{1}H}}&{\ce {->[86\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{2_{0}^{1}n}}}\\{}\end{صفيف}}}$$

أوقات الاضمحلال باليوكتوثانية (10 ⁻²⁴  ثانية ) لجميع هذه النظائر باستثناء ³ H ، والتي تبلغ بالسنوات.

• ذرة الهيدروجين
• الكيمياء الحيوية لنظائر الهيدروجين
• الهيدروجين-4.1 (الهيليوم الميوني)
• الميونيوم – يعمل كنظير خفيف غريب للهيدروجين
• الوسائط المتعلقة بنظائر الهيدروجين على ويكيميديا ​​كومنز

• دومي، ب. (7 مارس 2003). "الهيدروجين-7 يظهر لأول مرة" . عالم الفيزياء .