容易混淆的概念在开始讨论之前，我们需要先厘清这样三个概念：元素、同位素、核素。 元素： 指的是一类物质，它是原子核内质子数相同的一类原子的总称，由于质子都带正电荷，所以相同元素的原子核都携带了相同数量的正电荷。 例如：氢元素的原子核中只有1个质子，氦元素有2个质子，碳元素有6个质子，而铀元素则有多达92个质子。  氢在元素周期表中的位置 同位素： 指的是某一类化学元素的变体，它们尽管质子数相同，但拥有的中子数量不同，因此总核子数不同。这些不同核子数的原子互为同位素。 例如：碳-12、碳-13和碳-14是碳元素的三种同位素；铀-235与铀-238互为同位素。 核素： 指具体的一种原子，它们原子核中的质子数相同，中子数也相同。 比如：我们今天讨论的氢元素，它原子核中只有一个质子；氢元素有三种自然同位素氕、氘和氚，它们的原子核中都只有一个质子，但中子数不同；氕、氘、氚互为同位素，它们各自都是核素。  氢元素的三种同位素 氢的同位素氢的同位素不止三种，准确地说，氕、氘、氚是氢元素的三种自然同位素，我们可以在大自然中找到它们。 氢元素还有若干种人工合成的同位素，比如氢-4、氢-5、氢-6、氢-7等等，这些核素我们不能在自然状态下找到，它都是科学家们利用对撞机轰击原子核制造出来的，并且它们的寿命极其短暂，我们在接下来的章节会介绍。  科学家利用对撞机制造新的核素甚至新的元素 我们知道，氢是元素同期表中最轻的一类元素，因为它的原子核中只有一个质子。氢的原子序数为1，标准原子质量为1.008u。但是请注意：这里的氢主要指的是氢元素最主要的一种核素氕，由于氕在氢元素的所有同位素中丰度超过99.98％，因此我们通常直接把氕称为氢。氕的其它同位素尽管也只有一个质子，但它们有中子，所以原子量会各不相同，有的核素比如氢-7的原子质量甚至会超过锂。 氕（Protium）氕是宇宙中最多的一种核素，它的原子核就是一个质子，所以我们将它写成¹H或氢-1。氕的英文名称为protium，但因为99.98％的氢元素都是protium，所以在大多数时候人们将其直接称为氢。氕的中文读[piē]，与“瞥”同音。  氕的放电（光谱）管 关于氢的众多物理化学性质，我们已经在之前的文章《元素的奥秘——氢》、《氢元素的奇怪形态》中做了详细介绍，在此就不再重复。本文将重点谈一谈氕的其它同位素。 氘（Deuterium）氘与氕不同，它的原子核里除了有一个质子外，还有一个中子。它的原子量是2，所以我们将它写成²H、氢-2或重氢。氘的英文名称为deuterium，所以它也常常被简写为D。氘的中文读[dāo]，与“刀”同音。  氘的放电（光谱）管，可以看出它与氕的不同 氘在地球上的丰度约为所有氢元素数量的0.0026-0.0184％，可以想见它的含量极少。尽管如此，由于氢在地球上的总量很大，因此氘的总含量也是相当可观的。与氢类似，氘在地球表面通常也以氧化物的形态存在，海水中氘的数量大约为氢的0.02%，如果将海水中的氘全部提取出来，我们将能得到40万亿吨的氘，这是一个极其惊人的数字！ 那么问题来了，我们要氘何用？ 氘的作用大多与核有关，涉及到核能发电与核武器原料的生产。  核反应堆的堆芯浸没在一个巨大的重水池中 氘是重氢，氘与氧气结合后就是重水D₂O，重水无毒，但喝多了也不好。 与普通“轻水”不同的是，由于氘原子核中已经有了一个中子，它就不那么容易再吸收中子（还是会有吸收，我们后面会讲）。我们知道，现在核电站的反应堆都是核裂变反应堆，它利用的是铀衰变过程产生的热来推动蒸汽轮机发电。由于铀在衰变的过程中会释放中子，中子的能量如果过高，它一方面会造成难以控制的链式反应，同时还会跑出来产生放射性危害，所以我们需要将反应堆整个儿泡在水里，让水来吸收中子的能量，为中子减速。与普通的轻水相比，重水的减速效果更好，反应堆对放射性原料浓度和设备的要求也更低，尽管重水很贵，但由于在其它方面的成本降低，所以总的来说重水反应堆在商业上更划算。  红色的中子在重水中与更重的原子核碰撞，能量被削弱 从另一个角度，重水反应堆为某些机构获得武器级钚提供了更大的可能（具体原因我们将在介绍铀的文章中详细解释）。同时，尽管重水吸收中子的可能性较低，但一旦它吸收了中子就变成了氚，氚是制造核武器的重要原料之一。所以相比于轻水反应堆来说，重水反应堆有更大的核扩散风险。  在重水池中安装核燃料棒 氘本身是不错的核聚变原料。 我们在前面提到氘相对比较容易从海水中获取，并且地球海水中氘的总量达到40万亿吨，这是个极其庞大的数字。同时，科学家们知道在太阳核心P-P核聚变反应链中，氘占有非常重要的地位，如果我们能将地球上的氘用于核聚变发电，那将是一种取之不尽用之不竭的能源。  P-P聚变反应链，氘可与氕融合为氦-3（中间部分） 氚（Tritium）氚在自然界的含量可以用“痕量”来形容，因为只有极高能量（必须具有大于4.0MeV的能量）的快中子与上层大气中的氮原子相互作用才可能产生氚。氚的原子核中有1个质子和2个中子，它的原子量为3，因此又称为氢-3，平时可用³H或英文字母T来表示。读字读半边，氚就念“川”。 由于原子核里中子的数量与质子的数量不相等，氚不稳定且有放射性。每隔4500天就有一半的氚会衰变为氦-3，在这个过程中，中子会衰变为质子，我们称氚的半衰期为12.32年，所以地球表面能找到的的氚是少之又少。 前面提到，重水反应堆里的氘在受到中子轰击后有可能吸收中子变成氚，事实上，世界上绝大多数的氚库存都是从核反应堆里得来的。核发电企业通过每年对反应堆重水进行加工，那些捕获了中子的重水变成超重水，我们可以从1000吨重水中分离出1千克的氚。 从重水中提取氚的效率不高，科学家还通过在反应堆周围敷设金属锂-6或含锂陶瓷（包括Li₂TiO₃和Li₄SiO₄），通过让高能量的中子轰击锂来获得氚。在核聚变实验装置中，科学家们也通过在托卡马克环的四周敷设含锂陶瓷瓦来吸收中子、制取氚。  托卡马克装置的内壁敷设锂陶瓷瓦来获取氚 为什么需要氚？ 氚是制造氢弹的最主要原料，同时它也是生物化学工业中一种理想的放射性示踪剂。在未来的可控核聚变发电中，氚是一种清洁的聚变燃料。  氘与氚聚变生成氦-4，同时产生大量能量 氢的人造同位素氢-4（⁴H） 氢-4的原子核含有1个质子和3个中子，它的原子量为4，原子质量为4.026u，因此表示为⁴H。科学家们用快速移动的氘核轰击氚，氚核从快速移动的氘核中捕获了一个中子，从而变为⁴H。氢-4极不稳定，它会通过向外发射1个中子衰变为氚，半衰期仅为1.39×10⁻²²秒。 氢-5（⁵H） 氢-5的原子核里有1个质子和4个中子，它的原子量为5。它是由两个氚核相互轰击形成的，在这个实验中，一个氚核从另一个中捕获两个中子，成为一个带有一个质子和四个中子的核。氢-5的半衰期为9.1×10⁻²²秒，在此过程中，它会通过向外发射2个中子衰变为氚。 氢-6（⁶H）的半衰期是2.9×10⁻²²秒，氢-7（⁷H）的半衰期更短，只有2.3×10⁻²³秒。它们都是利用对撞机获得的短命核素。 氢的人造同位素会在瞬间衰变 总结：我们通过三篇文章对氢以及氢的同位素进行了详细的揭秘，相信你对它们已经有了初步了解。 氢是宇宙中分布最广泛的一种基础元素，它的原子核里只有一个质子，但通过核聚变，它可以生成宇宙中已发现的所有一百多种元素。 宇宙中氢离子云是恒星的摇篮，当氢聚集在一起成为恒星，它产生的光为我们带来能量。 氢几乎可以与所有元素结合，它与氧气的结合为我们带来了水，与碳的结合为我们带来了生命，从这个角度看，氢是真正的生命之源。 氢有非常丰富的形态，它的同位素氘和氚是非常好的核聚变原料。如果我们善加利用，核聚变发电可以产生无尽的能源，而如果我们将它制成氢弹，它也可以毁灭我们的家园。 |
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