1H (プロチウム)、2H (重水素)、3H (トリチウム) は、天然に存在する 3 つの同位体です。水素（トリチウム）の。研究室では不安定核（4H～7H）が作られていますが、自然界には存在しません。トリチウムは半減期が 12.32 年で、水素の中で最も安定な放射性同位元素です。より重い同位体はすべて人工的に作成され、半減期はゼプト秒 (10 ～ 21 秒) 未満です。最も安定な同位体は 5H で、最も不安定なのは 7H です。
プロチウム
水素同位体の最も一般的な形態は 1H です。この同位体の原子核は、質量が 1.007825 AMU の陽子 1 つだけで構成されています。水素は、他の原子を含む二原子水素ガスとして最もよく見られます。単原子水素はまれです。 298 K で 435.88 kJ/mol の結合解離エンタルピーを持つ H–H 結合は、自然界で最も強力な結合の 1 つです。結果として、H2 は、より高い温度に到達するまで少量にしか解離しません。 3000K での解離度はわずか 7.85% です。水素原子は非常に反応性が高く、ほぼすべての元素と結合します。
重水素
水素のもう 1 つの安定同位体は 2H で、自然存在量は ~海洋では 156.25 ppm であり、地球上の全水素の約 0.0156% を占めています。重陽子として知られる重水素の原子核には、1 つの陽子と 1 つの中性子 (質量数 =2) が含まれていますが、プロチウムの原子核には中性子が含まれていません。重水素は、原子核内に中性子が余分にあるため、プロチウムの約 2 倍の質量を持っています (重水素の質量は 2.014102 amu で、平均水素原子質量は 1.007947 amu です)。 2H2 または D2 と略される重水素ガスは、自然界にごく微量しか存在しませんが、最も一般的には宇宙でプロチウム 1H 原子に結合して重水素化水素を生成します。
重水素は通常の水素 (プロチウム) と同様に化学反応します。ただし、他の元素の同位体分散よりも大きい重い水素同位体複合体の結合エネルギーと長さには違いがあります。重水素とトリチウムの結合は、対応するプロチウムよりもわずかに強力です。これらの違いは、生物学的反応に大きな変化を引き起こすのに十分です。重水 (D2O) は、重水素が水分子内の従来の水素を置き換えるときに形成されます。 D2O は通常の水より約 10.6% 密度が高いです。
真核動物では、重水はわずかに有毒であり、体内の水分の 25% が細胞分裂の問題と不妊症を引き起こし、50% が細胞傷害性症候群 (骨髄不全と胃腸内膜不全) によって死亡します。 ）。大量の水の消費は、人々の健康に有害ではありません。推定によると、体重 70 kg の人は重水 4.8 リットルを消費しても大きな影響はありません。
トリチウム
しばしばトリチウムとして知られ、1 つの陽子と 2 つの中性子を含む水素同位体の別の形態です。半減期は 12.32 年です。トリチウムは、宇宙線と大気との相互作用によって微量が生成される地球上では非常にまれです。
水素のより重い合成同位体
4H の原子核は、1 つの陽子と 3 つの中性子で構成されています。実験室では、高速で移動する重水素核でトリチウムを爆破することによって作成されました。トリチウム原子核は、この実験で高速で移動する重水素原子核から中性子を収集しました。放出されたプロトンを検出することにより、水素-4の存在が決定されました。 4.02781 ± 0.00011 amu はその原子質量です。半減期は 1.39 ×10−22 秒で、中性子放出によって崩壊します。
別の非常に不安定な重い水素同位体は 5H です。原子核は、陽子 1 個と中性子 4 個で構成されています。実験室で、高速で移動するトリチウム核でトリチウムを爆破することによって作成されました。 1 つのトリチウム原子核からの 2 つの中性子が他の原子核に捕獲され、1 つの陽子と 4 つの中性子を持つ原子核ができます。残りのプロトンを認識でき、水素-5を決定できました。半減期は少なくとも 9.1 × 10−22 秒で、二重中性子放出によって崩壊します。
6H の半減期は 2.90×10−22 秒で、3 回の中性子放出によって崩壊します。原子核は陽子 1 個と中性子 5 個で構成されています。
ヘリウム8の中性子が水素原子核に移動した。 RI ビーム サイクロトロンのターゲットの向こうに配置された多数のセンサー層からなる装置である「理研望遠鏡」は、残りの 2 つの陽子を検出しました。
結論
大気中には水素の同位体が 3 つあります。水素は、3つの同位体の混合物であることに加えて、電子スピンと核スピンが異なる2つの形態、オルト形態とパラ形態の混合物です。周囲温度では、大気中の水素は約 34% のオルト水素と 14% のパラ水素で構成されています。 2 つのタイプの物理的特性はわずかに異なります。
