重水素 Deuterium

重水素は、多くの場合、化学記号 D で表されます。重水素は、質量数 2 の水素の同位体であるため、2H とも書かれます。 IUPAC では D と 2H の両方が許可されていますが、2H が推奨されます。同位体はさまざまな科学プロセスで一般的に使用されるため、便宜上個別の化学記号が使用されます。さらに、プロチウム（1H）との大きな質量差（プロチウムの質量1.007825 uと比較して、水素の平均原子質量は1.007947 u、重水素の質量は2.014102 u）により、無視できない化学的差異が存在します。プロチウム含有化合物を含む。が発生します。一方、他の化学元素内の同位体の重量比は、この点ではほとんど重要ではありません。

量子力学では、原子内の電子のエネルギー準位は、電子と原子核からなる系の換算質量に依存します。水素原子の場合、還元された質量の役割は、原子のボーア模型で最も簡単にわかります。還元質量はリュードベリ定数とリュードベリ方程式の単純な計算に現れますが、還元質量はシュレディンガー方程式にも現れます。原子エネルギー準位を計算するためのディラック方程式。 これらの方程式における系の換算質量は、単一電子の質量に近いですが、原子核に対する電子の質量の比にほぼ等しい少量だけ異なります。水素の場合、この量は約 1837/1836、つまり 1.000545 ですが、重水素の場合はさらに小さく、3671/3670、つまり 1.0002725 になります。したがって、重水素と軽水素 (水素 1) の電子スペクトル線のエネルギーは、これら 2 つの数の比 (1.000272) だけ異なります。すべての重水素スペクトルの波長は、対応する軽水素線より 0.0272% 短いです。天文学的には、これは光速の 0.000272 倍、つまり 81.6 km/s の青色ドップラー シフトに相当します。この違いは、赤外分光法やラマン分光法などの振動分光法や、マイクロ波分光法などの回転分光法でより顕著になります。これは、重水素の還元質量がプロチウムの還元質量よりも大幅に大きいためです。核磁気共鳴分光法では、重水素の NMR 周波数は大きく異なり (たとえば、プロチウムでは 400 MHz、重水素では 61 MHz)、感度がはるかに低くなります。プロチウム NMR では通常、信号との溶媒の重なりを避けるために重水素化溶媒が使用されますが、重水素 NMR 自体も可能です。

重水素は、ビッグバンで形成される元素の数と割合を決定する上で重要な役割を果たしたと考えられています。熱力学と宇宙の膨張によって引き起こされる変化を組み合わせると、宇宙が原子核の形成を可能にするのに十分に冷却された温度に基づいて陽子と中性子の割合を計算できます。この計算では、核生成の開始時に中性子ごとに 7 つの陽子が存在することが示されており、この比率は核生成が終了した後も安定していると予想されます。この部分は当初、陽子に有利でした。主な理由は、陽子の質量が低いほど、陽子の生成に適しているからです。宇宙が膨張するにつれて寒冷化しました。自由中性子と陽子はヘリウム原子核よりも不安定であり、陽子と中性子がヘリウム 4 を形成する強力なエネルギー的理由がありました。ただし、ヘリウム 4 を製造するには、重水素を製造するための中間ステップが必要です。 元素合成が起こった可能性があるビッグバン後のほとんどの時間を通じて、温度は十分に高く、粒子あたりの平均エネルギーは弱く結合した重水素の結合エネルギーよりも大きくなりました。したがって、生成された重水素はすぐに破壊されます。この状況は重水素ボトルネックとして知られています。このボトルネックにより、宇宙が重水素を生成するのに十分な温度になるまで (約 100 keV に相当する温度で) ヘリウム 4 の生成が遅れました。この時点で、元素形成が突然爆発的に起こりました (最初の重水素はすぐにヘリウムに融合しました)。しかし、ビッグバンから 20 分後すぐに、宇宙はそれ以上の核融合や元素合成が起こらないほど寒くなりました。この時点で、元素の存在量はほぼ固定されており、ビッグバン元素合成の放射性生成物の一部 (トリチウムなど) が崩壊した場合にのみ変化します。ヘリウム形成における重水素のボトルネックは、ヘリウムが水素またはヘリウム自体と結合する安定した方法がないこと（質量数 5 または 8 の安定した原子核が存在しない）、および微量の炭素またはその他の原子核が存在しないという事実です。ビッグバンで形成された炭素よりも重い元素があるということです。したがって、これらの元素は星状に形成される必要がありました。同時に、ビッグバン中の多くの核生成の失敗により、後の宇宙には太陽のような長命の星を形成するために利用できる大量の水素が存在することが保証されました。

重水素は、2H2 または D2 で示される重水素ガスとして微量に自然に発生しますが、宇宙に自然に発生する重水素原子のほとんどは、典型的な 1H 原子と結合して重水素化原子を形成します。水素 (HD または 1H2H) と呼ばれるガスが生成されます。同様に、天然水には微量の重水素化分子が含まれており、そのほとんどは重水素原子を 1 つだけ含む半重水 HDO です。 地球上、太陽系の他の場所（惑星探査機によって確認された）、および星のスペクトルにおける重水素の存在も、宇宙論における重要なデータです。通常の核融合からのガンマ線は重水素を陽子と中性子に解離しますが、観測された自然存在量に近い重水素を生成できた可能性のある自然プロセスはビッグバン元素合成以外に知られていません。重水素は、まれなクラスターの崩壊と軽水素による自然発生の中性子の時折吸収によって生成されますが、これらはマイナーな発生源です。この温度では、重水素を消費する核融合反応が、重水素を生成する陽子間反応よりもはるかに速く起こるため、太陽や他の恒星の内部には重水素がほとんど存在しないと考えられています。 。しかし、重水素は太陽大気の外側に木星とほぼ同じ濃度で存在しており、これはおそらく太陽系誕生以来変わっていない。水素を濃縮する明らかなプロセスが進行していない限り、どこで見つかったとしても、天然に存在する重水素は水素とほぼ同じ割合で存在する可能性が高くなります。 全水素に対する原始的な割合は低いが一定である重水素の存在は、宇宙の定常状態理論よりもビッグバン理論を支持するもう一つの議論である。宇宙で観測された水素、ヘリウム、重水素の比率は、ビッグバン モデルを使用せずに説明するのが困難です。重水素の存在量は、約 138 億年前の生成以来、大きくは進化していないと推定されています。天の川銀河内の重水素の紫外分光測定によると、乱されていないガス雲では水素原子100万個当たり重水素原子23個の比率が示されており、これはWMAPの推定値よりも高い。これは、100万人あたり約27個の原子という銀河の原始の割合よりもわずか15％低いだけです。バン。これは、天の川銀河での星形成中に破壊された重水素が予想よりも少なかったか、あるいは銀河の外から降下する大量の原始水素によって重水素が補充された可能性があることを意味する。解釈されてる。太陽から数百光年離れた宇宙では、重水素の存在量は 100 万個あたりわずか 15 原子ですが、この値はおそらく星間空間の炭素塵粒子への重水素の吸着の違いに影響されています。木星の大気中の重水素の存在量は、ガリレオ宇宙探査機によって直接測定され、水素原子 100 万個あたり 26 個の原子でした。 ISO-SWS の観測では、木星の水素原子 100 万個あたり 22 個の原子が発見されました。そして、この豊富さは原始太陽系の割合に近いと考えられています。これは地球上の重水素と水素の比率の約 17% (水素原子 100 万個あたり重水素原子 156 個) です。 ヘール・ボップ彗星やハレー彗星などの彗星には、比較的多量の重水素 (水素 100 万あたり約 200 個の原子 D) が含まれていることが測定されており、この比率はおそらく加熱によるものと考えられます。したがって、推定された原始太陽系星雲の比率と比較して濃縮されており、地球の海水で見られる比率と同様です。ハートレー彗星（以前はカイパーベルト天体）は最近、水素原子100万個当たり161原子Dの重水素含有量を測定したが、これは地球の海洋とほぼ同じ比率であり、地球の地表水の大部分は彗星に含まれている。それは、それが起源である可能性があるという理論を強調しています。 最近、ロゼッタは、67P/チュリュモフ・ゲラシメンコの重水素-プロチウム（D-H）比を測定し、地球の水の約3倍であり、これは高いです。このことは、地球の水の一部が小惑星から来ている可能性があるという示唆への新たな関心を引き起こしている。 重水素は、他の地球型惑星、特に火星や金星にも、太陽の平均存在量を超えて集中していることが観察されています。

重水素は、産業、科学、軍事目的で生成されます。通常の水 (その一部は天然の重水) から出発して、重水はガードラー硫化、蒸留、またはその他の方法を使用して分離されます。理論的には、重水用の重水素は原子炉で生成できますが、通常の水から分離するのが最も安価な大量生産プロセスです。 最後の重水プラントが 1997 年に閉鎖されるまで、世界最大の重水素供給者はカナダ原子力社でした。カナダは、CANDU 原子炉設計の運転のために中性子減速材として重水を使用しています。 もう一つの主要な重水生産国はインドです。インドの原子力発電所は 1 つを除いてすべて加圧重水プラントであり、天然 (つまり、非濃縮) ウランを使用します。インドには 8 つの重水プラントがあり、そのうち 7 つは稼働中です。 6 つのプラント (そのうち 5 つは稼働中) はアンモニア ガス中での D-H 交換に基づいています。他の 2 つのプラントでは、高圧で硫化水素ガスを使用するプロセスで天然水から重水素を抽出します。 インドは自国の重水を自給自足しているが、現在は原子炉級の重水も輸出している。

化学式: D2 または 21H2 密度: STP (0 °C、101325 Pa) で 0.180 kg/m3。 原子量: 2.0141017926 Da。 海洋水中の平均存在量 (VSMOW より) 水素の全同位体原子 100 万個あたり重水素 155.76 ± 0.1 原子 (全同位体水素原子の約 6420 原子あたり重水素 1 原子の割合)、または重水素約 0.015 原子 約 18 のデータ％すべての同位体水素を含む海水サンプル中の重水素の数による D2（三重点）の K: 密度： 液体：162.4kg/m3 ガス: 0.452kg/m3 粘度：12.6μPa・s at 300K（気相） 定圧時の比熱容量 cp: ソリッド：2950J/(kg・K) ガス：5200J/(kg・K)

地球上の自然組成の水素と比較して、純粋な重水素 (D2) は融点が高く (18.72 K 対 13.99 K)、沸点が高く (23.64 K 対 20.27 K)、臨界温度が高くなります (38.3 K)対 38.3 K)。重水素化化合物の物理的特性は、プロチウム類似体との顕著な速度論的同位体効果やその他の物理的および化学的特性の違いを示す可能性があります。たとえば、D2O は H2O よりも粘性が高くなります。化学的には、重水素同位体の化合物ではプロチウムと比較して結合エネルギーと結合長に違いがあり、これは他の元素の同位体の違いよりも大きくなります。重水素と三重水素の間の結合は、プロチウムの対応する結合よりもわずかに強く、これらの違いは生物学的反応に重大な変化を引き起こすのに十分です。製薬会社は、重水素はプロチウムよりも炭素から除去するのが難しいという事実に興味を持っています。重水素は水分子のプロチウムを置き換えて重水（D2O）を形成します。重水は通常の水よりも約 10.6% 密度が高いです (したがって、重水素から作られた氷は通常の水に沈みます)。重水は真核生物にとってわずかに毒性があり、体内の水分の25％が置換されると細胞分裂の問題と不妊を引き起こし、50％が置換されると細胞傷害症候群（骨髄不全と胃腸内壁の損傷）を引き起こします。故障により死亡）。ただし、原核生物は純粋な重水の中でも生存して成長できますが、成長は遅くなります。この毒性にもかかわらず、通常の状況下で重水を摂取しても人間の健康に脅威を与えることはありません。体重 70 kg (154 ポンド) の人は、重大な影響を与えることなく 4.8 リットル (1.3 米国ガロン) の重水を飲むことができると推定されています。少量の重水（人間の場合は数グラム、体内に通常存在する重水素に匹敵する量の重水素を含む）は、人間や動物の無害な代謝トレーサーとして日常的に使用されています。

重陽子は +1 のスピン (「三重項状態」) を持っているため、ボーソンです。重水素の NMR 周波数は、一般的な軽水素の NMR 周波数とは大きく異なります。赤外分光法では、重水素と軽水素が関与する化学結合の振動に見られる IR 吸収周波数の大きな違いにより、多くの重水素化化合物も簡単に区別できます。水素の 2 つの安定同位体は、質量分析法を使用して区別することもできます。 三重項重陽子核子は EB = 2.23 MeV でかろうじて結合しており、より高いエネルギー状態はいずれも結合していません。一重項重陽子は仮想状態であり、約 60 keV の負の結合エネルギーを持っています。このような安定した粒子は存在しませんが、この仮想粒子は中性子 - 陽子の非弾性散乱中に一時的に存在し、陽子の異常に大きい中性子散乱断面積の原因となります。

重水素の原子核は重陽子と呼ばれます。その質量は 2.013553212745(40) Da (1.875 GeV 強) です。重陽子の電荷半径は 2.12799(74) fm です。陽子半径と同様に、重水素ミューオンを使用した測定では、2.12562(78) fm という小さな結果が得られます。

重水素は、奇数の陽子と奇数の中性子を持つ 5 つしかない安定核種のうちの 1 つです。 (2H、6Li、10B、14N、180mTa。長寿命放射性核種 40K、50V、138La、176Lu も自然に発生します。) ほとんどの奇奇原子核は偶数個の崩壊生成物を持っているため、ベータ崩壊は不安定です。核対効果により、より均一になり、したがってより強く結合されます。ただし、重水素は陽子と中性子がスピン 1 状態で結合しているため、より強い核引力を持っています。対応するスピン 1 状態は、2 中性子または 2 陽子系には存在しません。これは、同じスピンを持つ同一の粒子が軌道などの異なる量子数を持つことを要求するパウリの排除原理によるものです。角運動量。しかし、主に核力の急勾配における粒子間の距離の増大により、どちらの粒子の軌道角運動量も系に与える結合エネルギーが低くなります。どちらの場合も、これにより、ダイプロトン原子核とダイ中性子原子核が不安定になります。 重水素を構成する陽子と中性子は、ニュートリノとの中性電流相互作用を通じて解離することができます。この相互作用の断面積は比較的大きく、重水素はサドベリーニュートリノ天文台の実験でニュートリノターゲットとして使用されることに成功しています。 二原子重水素（D2）には、二原子水素と同様にオルト核スピン異性体とパラ核スピン異性体がありますが、重陽子は核スピンが1に等しいボソン粒子であるため、スピン状態と回転準位が異なります。違いは数とグループで発生します。

陽子と中性子は同様の質量と核特性を持っているため、同じ物体である核子の 2 つの対称型であるとみなされることがあります。陽子のみが電荷を持っていますが、電磁相互作用は強い核相互作用に比べて弱いため、これは多くの場合無視できます。陽子と中性子に関する対称性はアイソスピンとして知られ、I (または場合によっては T) で表されます。 アイソスピンは通常のスピンと同様に SU(2) 対称性を持っているため、それらと完全に似ています。それぞれアイソスピン 1/2 を持つ陽子と中性子は、アイソスピンダブレット (スピンダブレットに似ています) を形成し、「ダウン」状態 (↓) が中性子、「アップ」状態 (↑) が中性子になります。プロトン。一対の核子は、一重項と呼ばれるアイソスピンの反対称状態、または三重項と呼ばれる対称状態にあります。 「ダウン」状態と「アップ」状態に関して、シングレットは次のようになります。 1 2 ( | ↑↓ ⟩ − | ↓↑ ⟩ ） 。 {\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|{\uparrow \downarrow }\rangle -|{\downarrow \uparrow }\rangle {\Big )}.} 、次のように書くこともできます。 1 2 ( | p n ⟩ − | n p ⟩ ） 。 {\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|pn\rangle -|np\rangle {\Big )}.} これは重水素原子核であり、陽子と中性子が 1 つずつあります。三つ子は、 ( | ↑↑ ⟩ 1 2 ( | ↑↓ ⟩ + | ↓↑ ⟩ ） | ↓↓ ⟩ ） {\displaystyle \left({\begin{array}{ll}|{\uparrow \uparrow }\rangle \\{\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\uparrow \downarrow }\rangle +|{\downarrow \uparrow }\rangle )\\|{\downarrow \downarrow }\rangle \end{array}}\right)} したがって、それは 3 種類の原子核で構成されており、それらは対称であると考えられています。重水素原子核（実際には高度に励起された状態）、陽子が 2 つある原子核、中性子が 2 つある原子核。これらの状態は安定していません。

アイソスピン表現を使用する場合、重陽子の波動関数は非対称でなければなりません (陽子と中性子は同じ粒子ではないため、波動関数は 一般に、反対称である必要はありません)。アイソスピンとは別に、2 つの核子にはスピン関数と波動関数の空間分布もあります。後者は、重陽子がパリティの下で対称である (つまり、「偶数」または「正」のパリティを持つ) 場合は対称であり、重陽子がパリティの下で反対称である (つまり、「奇数」 または「負」のパリティを持つ) 場合は反対称です。反対称。パリティは、2 つの核子の総軌道角運動量によって完全に決定されます。数値が偶数の場合、パリティは偶数 (正) です。数値が奇数の場合、パリティは奇数 (負) になります。 重陽子はアイソスピン一重項であるため、アイソスピンによる核子の交換では非対称であるため、スピンと位置の二重交換では対称でなければなりません。したがって、次の 2 つの異なる状態のいずれかになります。 対称的なスピンと対称的なアンダーパリティ。この場合、2 つの核子の交換により、重水素の波動関数はアイソスピン交換により (-1)、スピン交換により (+1)、パリティ (位置交換) により (+1) 倍され、合計 ( - 1) になります。 ) 反対称のために必要な場合。 非対称スピンと非対称アンダーパリティ。この場合、2 つの核子の交換により、重水素の波動関数にアイソスピン交換による (-1)、スピン交換による (-1)、パリティ (位置交換) による (-1) が乗算され、合計は ( -1 ) 反対称のために必要な場合。最初のケースでは、重陽子はスピン三重項であるため、その合計スピン s は 1 です。重陽子は偶数パリティを持っているため、軌道角運動量 l も偶数です。軌道角運動量が低いほど、そのエネルギーは低くなります。したがって、可能な最低エネルギー状態は s = 1、l = 0 です。 2 番目のケースでは、重陽子はスピン一重項であるため、その合計スピン s はゼロです。また、奇数パリティを持っているため、軌道角運動量 l も奇数です。したがって、可能な最低のエネルギー状態は s = 0、l = 1 です。 s = 1 では核引力が強くなるため、重水素の基底状態は s = 1、l = 0 となります。 同じ考察により、s = 0、l = 偶数、または s = 1、l = 奇数のアイソスピン三重項の可能な状態が導き出されます。したがって、最低エネルギー状態は s = 1、l = 1 であり、アイソスピン一重項状態よりも高くなります。 なぜなら、アイソスピンは正確な対称性ではなく、さらに重要なことに、2つの核子間の強い核相互作用は、異なるs状態とl状態が混合するスピン軌道相互作用の角運動量に関係しているからです。 ,実際、ここで紹介した分析は近似値にすぎません。つまり、sとlは時間的には一定ではなく（ハミルトニアンと可換ではない）、時間の経過とともにs = 1、l = 0の状態がs = 1、l = 2の状態に変化する可能性があります。パリティは時間的に一定であるため、奇数 l 状態 (s = 0、l = 1 など) と混在しません。したがって、重水素の量子状態は、最初の成分がはるかに大きいにもかかわらず、s = 1、l = 0 状態と s = 1、l = 2 状態の重ね合わせ (線形結合) になります。全角運動量 j も適切な量子数であるため (時定数です)、両方の成分は同じ j を持つ必要があり、j = 1 となります。これは重水素原子核の全スピンです。 要約すると、重水素原子核はアイソスピンに関して反対称であり、スピン 1 と偶数 (+1) パリティを持っています。その核子 l の相対角運動量は明確に定義されておらず、重陽子は大部分が l = 0 と一部の l = 2 の重ね合わせです。

重水素には多くの商業的および科学的用途があります。これらには次のものが含まれます。

重水素は通常、重水減速核分裂炉で液体 D2O として使用され、通常の水素のような高い中性子吸収をせずに中性子を減速させます。これは、大量の重水素の一般的な商業利用です。 研究用原子炉では、液体 D2 が冷源として使用され、中性子を散乱実験に適した非常に低いエネルギーと波長に緩和します。 実験的には、重水素は、D-T 反応の大きな反応速度 (または核断面積) と高いエネルギー収量により、核融合炉の設計、特にトリチウムと組み合わせて使用​​される最も一般的な核種です。さらに高収率の D-3He 核融合反応もありますが、D-3He の損益分岐点は他のほとんどの核融合反応よりも高くなります。 3He の希少性と組み合わせると、少なくとも D-T および D-D 核融合反応が商業規模で実行されるまでは、3He を実用的な動力源として使用することは不可能です。商用融合はまだ成熟した技術ではありません。

重水素は、水素核磁気共鳴分光法 (プロトン NMR) で次の方法で最も一般的に使用されます。 NMR では通常、目的の化合物を溶液に溶解した状態で分析する必要があります。重水素の核スピン特性は、有機分子に通常存在する軽水素の核スピン特性とは異なるため、水素/プロチウムのNMRスペクトルは重水素のNMRスペクトルと非常に区別可能であり、実際、重水素は、 に調整されたNMR装置では「目に見えません」。したがって、重水素化溶媒 (重水を含むが、重水素化クロロホルム、CDCl3 などの化合物も含む) を分光法で日常的に使用できます。 核磁気共鳴分光法は、同位体標識されたサンプル中の重陽子の環境に関する情報を得るために使用することもできます (重水素 NMR)。たとえば、脂質二重層内の炭化水素鎖の組成は、重水素標識脂質分子を用いた固体重水素 NMR を使用して定量できます。固体状態では四重極モーメントがより大きな四重極モーメントに比べて比較的小さいため、重水素 NMR スペクトルは特に有益です。たとえば、塩素 35 などの原子核です。

重水素化（つまり、すべてまたは一部の水素原子が重水素で置換された）化合物は、質量分析の内部標準としてよく使用されます。他の同位体標識種と同様に、このような標準は精度を向上させますが、多くの場合、他の同位体標識標準よりもコストがはるかに低くなります。重水素化分子は通常、水素同位体交換反応によって調製されます。

化学、生化学、環境科学では、重水素は、二重標識水の検査など、非放射性安定同位体トレーサーとして使用されます。化学反応や代謝経路において、重水素は通常の水素とある程度似た挙動をします (ただし、前述したように、化学的にはいくつかの違いがあります)。通常の水素との区別は、質量分析法または赤外分光法を使用してその質量によって行うのが最も簡単です。重水素は、質量差が分子振動の周波数に強く影響するため、フェムト秒赤外分光法を使用して検出できます。重水素と炭素の結合振動は、他の信号が存在しないスペクトル領域で見られます。 重水素の自然存在量のわずかな変動の測定は、重酸素 17O および 18O の安定同位体の変動とともに、地球の水の地理的起源を追跡するための水文学において重要です。雨水（いわゆる雨水）中の水素と酸素の重同位体は、降水量が降る地域の環境温度の関数として濃縮されます（したがって、濃縮の程度は平均緯度に関係します）。温度に対してプロットすると、雨水中の重同位体の相対濃縮度（平均的な海水と比較した場合）は、予想通り、全球天水線（GMWL）と呼ばれる線に沿って低下します。このプロットを使用すると、降水によって生成された水サンプルと、それが発生した気候に関する一般的な情報を特定できます。水域における蒸発やその他のプロセス、さらには地下水プロセスは、淡水と海水中の重水素同位体と酸素同位体の比率を、特徴的かつ多くの場合地域固有の方法で異なって変化させます。 2Hと1Hの濃度比は通常δ2Hとしてデルタで表され、これらの値の地理的パターンは等値面と呼ばれる地図上にプロットされます。安定同位体は植物や動物に取り込まれ、渡り鳥や昆虫の安定同位体の割合を分析することは、その起源の大まかなガイドを示唆するのに役立ちます。

中性子散乱技術は、重水素化サンプルの入手可能性から特に恩恵を受けます。 H 断面と D 断面は非常に区別でき、符号も異なるため、このような実験ではコントラストを変えることができます。さらに、通常の水素の厄介な点は、その大きなインコヒーレントな中性子の断面積です。D にはありません。したがって、水素原子の代わりに重水素原子を使用すると、散乱ノイズが減少します。 水素は有機化学や生命科学におけるすべての材料の重要な主要成分ですが、X 線との相互作用はほとんどありません。水素 (および重水素) は中性子と強く相互作用するため、中性子散乱技術と現代の重水素化施設は、生物学やその他多くの分野における高分子の研究の多くのギャップを埋めています。

これについては以下で説明します。太陽を含むほとんどの恒星は、その一生の間、水素をより重い元素に融合させることでエネルギーを生成しますが、このような軽い水素（プロチウム）の融合は、地球上で達成可能な条件下で一度だけ可能です。これは決して成功していないことも注目に値します。したがって、いわゆる水素爆弾で発生する水素核融合を含むすべての人工核融合は、そのプロセスが機能するために重水素（三重水素または重水素のいずれか、または両方）を必要とします。

重水素化薬剤は、薬剤分子内の 1 つ以上の水素原子が重水素に置換された小分子薬剤です。動的同位体効果により、重水素含有薬剤は代謝率が大幅に低下するため、半減期が長くなる可能性があります。 2017年にFDAの承認を受けた最初の重水素化薬剤となった。

重水素を使用すると、特定のアミノ酸や多価不飽和脂肪酸（PUFA）などの必須栄養素または条件付き必須栄養素の特定の酸化可能なC-H結合を強化し、酸化損傷に対する耐性を高めることができます。 。リノール酸などの重水素化多価不飽和脂肪酸は、生細胞に損傷を与える脂質過酸化の連鎖反応を遅らせます。 Retrotopeが開発したリノール酸の重水素化エチルエステル（RT001）は、乳児神経軸索ジストロフィーにおける慎重な使用試験が行われており、フリードライヒ運動失調症における第I/II相試験を無事完了しました。

経口ポリオウイルスワクチンなどの生ワクチンは、重水素を単独で、または MgCl2 などの他の安定剤と組み合わせて、重水素で安定化できます。

ラット、ハムスター、ゴヤウラックス渦鞭毛虫に重水素を投与すると、概日時計の振動周期が長くなることが示されています。ラットでは、25% D2O を慢性的に摂取すると、脳の視床下部における視交叉上核依存性リズムの概日リズムが延長され、概日リズムが破壊されます。ハムスターを使った実験でも、重水素が視交叉上核に直接作用して自走概日周期を延長するという理論が裏付けられている。

軽元素の非放射性同位体の存在は、1913 年にはネオンの研究で疑われ、1920 年に軽元素の質量分析によって証明されました。当時は中性子はまだ発見されておらず、中性子は中性子の同位体であるという説が主流でした。元素は、同じ数の核電子を持つ追加の陽子が原子核内に存在するという点で異なります。この理論では、質量 2、電荷 1 の重水素原子核には 2 つの陽子と 1 つの核電子が含まれます。しかし、測定された平均原子量が既知の陽子質量1Daに非常に近い水素元素は、常に単一の陽子（既知の粒子）と2番目の陽子からなる核を持っており、これは不可能であると予想されていました。 。したがって、水素には重同位体がないと考えられていました。

これは、1931 年末にコロンビア大学の化学者ハロルド・ユーリーによって分光学的に初めて検出されました。ユーリーの共同研究者であるフェルディナンド・ブリックウェッデは、ワシントン D.C. の国家標準局 (現在の国家標準協会) に最近設立された極低温物理学研究所を利用して、生成される液体水素を開発しました。極低温で。 5 リットルを蒸留して 1 mL の液体になりました。テクノロジー）。この技術は、以前はネオンの重同位体を分離するために使用されていました。極低温ボイルオフ技術により、分光学的同定が明確になるまで水素の質量 2 同位体分画が濃縮されました。

ユーリーは 1934 年に発表した論文で、プロチウム、重水素、トリチウムという名前を作りました。この名前は、「重水素」という名前を提案したギルバート・ルイスからのアドバイスに部分的に基づいていました。この名前はギリシャ語の deuteros (「第 2」) に由来し、原子核を「デュートロン」または「デュートン」と呼ぶことに由来しています。伝統的に、同位体や新元素には、発見者が選んだ名前が付けられてきました。アーネスト・ラザフォードのよ​​うな一部のイギリスの科学者は、同位体をギリシャ語のディプロス（「二重」）から「ディプロゲン」と呼び、原子核を「ディプロン」と呼びたいと考えていました。 。この重い同位体の通常の存在量から推定される量は、水素が非常に小さいため（海水中の 6400 個の水素原子のうちわずか約 1 個（水素 100 万個あたり 156 個の原子）重水素））、（平均）の以前の測定値に顕著な影響を与えなかったためです。水素の原子量。これは、これまで実験的にそれが疑われなかった理由を説明しました。ユーリーは水を凝縮し、重水素が部分的に濃縮されていることを示すことができた。バークレー校でユーリーの大学院顧問であるルイスは、1933 年に最初の純粋な重水のサンプルを準備し、その特徴を明らかにしていました。 1932 年の中性子の発見に先立って行われた重水素の発見は、理論にとって実験的な衝撃でしたが、中性子が報告され、重水素の存在の説明がより可能になりました。ユーリーは同位体を単離してからわずか3年後にノーベル化学賞を受賞した。ルイスは1934年のノーベル委員会の決定に深く失望しており、バークレー校の数人の高官は、この失望が10年後のルイスの自殺の中心的な役割を果たしたと信じていた。

戦争の少し前に、ハンス・フォン・ハルバンとルー・コワルスキーは中性子減速の研究をフランスからイギリスに移し、世界に供給される重水（ノルウェーで製造）を26本の鋼製ドラム缶に保管しました。密輸したんです。 , ナチスドイツは原子炉の設計において重水を減速材として使用する実験を行ったことが知られている。このような実験は、原爆用のプルトニウムの生産を可能にする可能性があるため、懸念の原因となった。それは最終的に「ノルウェー重水破壊工作」と呼ばれる連合軍の作戦につながり、その目的はノルウェーのヴェモルク重水素製造・濃縮施設を破壊することであった。当時、これは戦争の潜在的な進展にとって重要であると考えられていました。 第二次世界大戦が終わった後、連合国はドイツがこれまで考えられていたほどこの計画に真剣ではないことに気づきました。ドイツ人はまだ部分的に建設された小型の実験炉（隠蔽されていた）を完成させただけであり、連鎖反応を維持することはできなかった。ノルウェーの重水破壊活動の影響もあり、戦争が終わるまでにドイツ軍は原子炉の運転に必要な重水の量の5分の1も持っていなかった。しかし、たとえドイツが原子炉の運転に成功していたとしても（米国が1942年末にシカゴ・パイル1で成功したように）、原爆が開発されるまでには少なくとも数年はかかっていただろう。例えば、最大限の努力と資金を投入したとしても、米国とソ連の両国の工学プロセスには（最初の重要な原子炉から完成した爆弾まで）約 2 年半かかった。

米国によって製造され、1952 年 11 月 1 日に爆発した 62 トンのアイビー マイク装置は、完全に成功した最初の「水爆」(熱核爆弾) でした。これに関連して、これは、放出されたエネルギーのほとんどが原子爆弾の一次核分裂段階に続く核反応段階から得られた最初の爆弾でした。アイビー・マイク爆弾は工場のような建物であり、納品可能な武器ではありませんでした。その中心には非常に大きな円筒形の断熱真空フラスコ、またはクライオスタットがあり、その中には約 1000 リットルの体積 (この体積が完全に満たされた場合、質量は 160 キログラムになります) の極低温液体重水素が入っています。そうでした。次に、爆弾の一方の端に従来の原子爆弾 (「一次原子爆弾」) を使用して、熱核反応を引き起こすために必要な極端な温度と圧力の条件を作り出しました。 数年以内に、極低温水素を必要としない、いわゆる「乾式」水素爆弾が開発されました。公表された情報によると、それ以降に製造されたすべての熱核兵器には、二次段階で重水素とリチウムの化合物が含まれていることが示唆されています。重水素を含む物質の大部分は重水素化リチウムであり、同位体リチウム 6 で構成されています。リチウム 6 に原子爆弾の高速中性子が照射されると、三重水素 (水素 3) が生成され、その後、重水素と三重水素が急速な熱核融合を起こし、豊富なエネルギー、ヘリウム 4、および自由中性子が生成されます。リリースされます。 。ツァーリ・ボンバのような「純粋な」融合兵器は時代遅れだと考えられている。最新の（「強化された」）熱核兵器のほとんどでは、総エネルギーのほんの一部だけが核融合によって直接供給されます。 D-T 核融合で生成される高速中性子による天然ウラン U-238 タンパーの核分裂は、核融合反応自体よりもはるかに大きな (つまり増加した) エネルギー放出を引き起こします。

2018 年 8 月、科学者たちは気体の重水素が液体金属の形に変化することを発表しました。これは、研究者が木星、土星、および関連する系外惑星などの巨大ガス惑星をより深く理解するのに役立つ可能性があります。そのような惑星には大量の液体金属水素が含まれていると考えられており、それが観測された強い磁場の原因となっている可能性があるからだ。

反重陽子は重水素原子核に相当する反物質であり、反陽子と反中性子から構成されます。反重陽子は、1965 年に CERN の陽子シンクロトロンとブルックヘブン国立研究所の交互勾配シンクロトロンで最初に生成されました。原子核の周りを陽電子が周回している完全な原子は反重水素と呼ばれますが、2019年現在、反重水素はまだ作られていません。反重水素の提案されている記号は D、または D に上線を付けたものです。

水素の同位体 核融合 トカマク トリチウム 重水

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