重水素

重水素、水素2、²H、 ²H

ガス放電管内で輝く重水素
一般的な
シンボル	2時間
名前	重水素、水素-2、2 H、2H、H-2、 水素-2、D、2 H
陽子 ( Z )	1
中性子 ( N )	1
核種データ
自然の豊かさ	0.0156%（地球）[1]
半減期 （t 1/2）	安定した
同位体質量	2.01410177811 [2] ダ
スピン	1 +
余剰エネルギー	13 135 .720 ± 0.001 keV
結合エネルギー	2 224 .57 ± 0.20 keV
水素の同位体 核種の完全な表

重水素(水素-2、記号² HまたはD 、重水素とも呼ばれる) は、水素の2 つの安定同位体のうちの 1 つです。もう 1 つは、陽子または水素-1、1 H です。重水素原子核(重陽子) には、1 つの陽子と 1 つの中性子が含まれますが、より一般的な¹ H には中性子が含まれていません。重水素は、地球の海洋において、水素原子 6,420 個につき約 1 個の重水素原子という自然な存在量です^。したがって、重水素は、海洋の全水素の約 0.0156% (質量では 0.0312%) を占めます。4.85 × 10 ¹³トンの重水素 – 主にHOD（または¹ HO ² Hまたは¹ H ² HO）として、まれにD ₂ O（または² H _{2 O）（}重水としても知られる酸化重水素）として –1.4 × 10 ¹⁸トンの水。2 Hの量は天然水の^種類によってわずかに異なります（ウィーン標準平均海洋水を参照）。

重水素という名前はギリシャ語の「deuteros」に由来し、「 ²番目」を意味します。^{[3] [4]}アメリカの化学者ハロルド・ユーリーは1931年に重水素を発見しました。ユーリーと他の人たちは、2Hが高度に濃縮された重水のサンプルを作成しました。重水素の発見により、ユーリーは1934年に ノーベル賞を受賞しました。

重水素は、恒星の内部で生成されるよりも速く破壊されます。その他の自然現象では、わずかな量の重水素しか生成されないと考えられています。自然界で発見された重水素のほとんどは、138億年前のビッグバンで生成されたもので、 ² Hと¹ Hの基本的または原始的な比率（10 ^{6 個}の水素原子に対して約26個の重水素原子 ）はその時に由来しています。これは、木星などの巨大ガス惑星で見られる比率です。彗星の重水素と陽子の比率（² H ^{1 HR）を分析したところ、地球の海の平均比率（10 6 個}の水素原子に対して156個の重水素原子）と非常によく似た結果が見つかりました。これは、地球の海水の多くが彗星起源であるという理論を裏付けています。^{[5] [6]}宇宙探査機ロゼッタによって測定された^{チュリュモフ}・ゲラシメンコ彗星67Pの2 H 1 HRは、地球^{の水の約3倍です。この数値は、彗星で測定された最高のものです。 [7]このように、 2} H ¹ HRは天文学と気候学の両方で活発な研究テーマであり続けています。

重水素は、化学記号Dで表されることが多い。質量数2の水素同位体であるため、 ^2Hとも表記される。IUPACではDと2Hの両方が認められているが^、 2H^が好まれる。^[8]同位体はさまざまな科学的プロセスで一般的に使用されているため、便宜上、異なる化学記号が使用されている。また、プロチウム（^{1H ）との大きな質量差により、 1H}化合物との化学的差異は無視できない。重水素の質量は2.014 102  Da 、平均水素原子量の約2倍1.007 947  Da、またはプロチウムの質量の2倍1.007 825  Da。この点では他の元素内の同位体重量比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レベルは、電子と原子核のシステムの換算質量に依存します。水素原子の場合、換算質量の役割は、原子のボーアモデルで最も簡単に見られます。このモデルでは、換算質量は、リュードベリ定数とリュードベリ方程式の簡単な計算に現れますが、換算質量は、シュレーディンガー方程式や、原子のエネルギーレベルを計算するための ディラック方程式にも現れます。

^これらの式におけるシステムの換算質量は、電子1個の質量に近いが、電子と原子核の質量比とほぼ等しいわずかな量だけ異なる。1 Hの場合、この量は約⁠1837/1836⁠、つまり 1.000545 であり、² H の場合はさらに小さくなります: ⁠3671/3670⁠ 、または1.0002725である。したがって、 ² Hと¹ Hの電子スペクトル線のエネルギーは、これら2つの数値の比、つまり1.000272だけ異なる。すべての重水素分光線の波長は、対応する軽水素の線よりも0.0272％短い。天文学的観測では、これは光速の0.0272％、つまり81.6 km/sの青色ドップラーシフトに相当する。^[9]

赤外線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スペクトルでは、その違いはより顕著です。これは、重水素の換算質量が^、軽水素の換算質量よりも著しく高いためです。核磁気共鳴分光法では、重水素のNMR周波数は非常に異なり（例えば、軽水素が400MHzの場合、61MHz）、感度がはるかに低くなります。軽水素NMRでは、溶媒が信号と重ならないように、通常、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た元素の数と比率を決定する上で重要な役割を果たしたと考えられている。熱力学と宇宙膨張によってもたらされた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ほどに冷却された時点の温度に基づいて、陽子と中性子の割合を計算することができる。この計算は、原子核生成の開始時に中性子1つに対して陽子7つを示しており、この比率は原子核生成が終わった後も安定したままである。この割合は当初、主に陽子の質量が小さいことが生成に有利であったため、陽子に有利であった。宇宙が膨張するにつれて、宇宙は冷却した。自由中性子と陽子はヘリウム原子核よりも安定性が低く、陽子と中性子にはヘリウム4を形成する強力なエネルギー的理由があった。しかし、ヘリウム4を形成するには、重水素を形成するという中間段階が必要である。

ビッグバン後の元素合成が起こったと考えられる数分間の大部分において、温度は十分高く、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かった。そのため、生成された重水素は直ちに破壊された。この状況は重水素ボトルネックとして知られている。ボトルネックにより、宇宙が重水素を形成できるほど冷えるまで（約 100 keVに相当する温度まで ）、ヘリウム 4 の生成が遅れた。この時点で、突然の元素生成バーストが発生した（最初に重水素が生成され、すぐにヘリウムに融合した）。しかし、その後間もなく、ビッグバンから 20 分後に、宇宙はそれ以上の核融合や元素合成ができないほど冷えてしまった。この時点で、元素の存在比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）が崩壊する以外は変化はなかった。^[11]ヘリウム形成における重水素のボトルネックと、ヘリウムが水素またはヘリウム自身と結合する安定した方法の欠如（安定した原子核の質量数は5または8ではない）により、ビッグバンでは炭素または炭素より重い元素が微量しか形成されなかった。したがって、これらの元素は恒星で形成される必要があった。同時に、ビッグバン中の核生成の失敗により、後の宇宙には太陽のような長寿命の恒星を形成するのに十分な量の水素が存在することが確実となった。

重水素は、重水素ガス（² H ₂またはD ₂ ）として自然界に微量存在しますが、宇宙のほとんどの重水素原子は¹ Hと結合して重水素化水素（HDまたは¹ H ² H）と呼ばれるガスを形成します。 ^[12]同様に、天然水には重水素化分子が含まれており、そのほとんどは重水素が1つしかない半重水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）、および恒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ある。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分解するが、ビッグバン元素合成以外に、観測された自然存在比に近い量の重水素を生成した可能性のある自然の過程は知られていない。重水素は、まれなクラスター崩壊と、軽い水素による自然発生的な中性子の偶発的な吸収によって生成されるが、これらは取るに足らない発生源である。太陽や他の恒星の内部には重水素はほとんどないと考えられている。これらの温度では、重水素を消費する核融合反応が、重水素を生成する陽子-陽子反応よりもはるかに速く起こるからである。しかし、重水素は木星とほぼ同じ濃度で太陽の外部大気中に存在し、これはおそらく太陽系の起源以来変わっていない。² Hの自然存在比は、水素がどこで発見されても、それを濃縮する明らかなプロセスが働いていない限り、水素と非常によく似た割合であると思われます。

すべての水素の中に低いが一定の原始的割合で重水素が存在することは、宇宙の定常状態理論よりもビッグバンを支持するもう 1 つの論拠です。宇宙で観測されている水素、ヘリウム、重水素の比率は、ビッグバン モデル以外では説明が困難です。重水素の存在量は、約 138 億年前に生成されて以来、大きく変化していないと推定されています。^{[13]紫外線スペクトル分析による}天の川銀河の重水素の測定では、乱されていないガス雲内の水素原子 100 万個あたり重水素原子が 23 個にも達することが示されていますが、これはビッグバンからのWMAP推定原始比率である 100 万個あたり約 27 個よりわずか 15% 低いだけです。これは、天の川銀河での星形成で破壊された重水素の量が予想よりも少ないか、あるいは銀河系外からの原始水素の大量落下によって重水素が補充されたことを意味すると解釈されています。^[14]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原子であるが、この値はおそらく星間空間における炭素塵粒子への重水素の差動吸着によって影響を受けていると考えられる。^[15]

木星の大気中の重水素の量は、ガリレオ宇宙探査機によって、水素原子100万個あたり26個と直接測定されました。ISO-SWSの観測では、木星では水素原子100万個あたり22個であることがわかりました。^[16]この量は、原始太陽系の比率に近いと考えられています。^[6]これは、地球の比率である水素原子100万個あたり156個の重水素原子の約17%です。

ヘール・ボップ彗星やハレー彗星などの彗星は、より多くの重水素（水素100万個あたり約200原子）を含むことが測定されており、その比率は、おそらく加熱により、推定される原始太陽系星雲の比率に比べて濃縮されており、地球の海水に見られる比率に似ています。103P /ハートレー彗星（旧カイパーベルト天体）の最近の測定では、水素100万個あたり161原子の重水素が地球の海とほぼ同じ比率（155.76 ± 0.1、実際は153～156 ppm）であり、地球の表層水の大部分が彗星由来であるという理論を裏付けています。^{[5] [6]}最も最近では、ロゼッタによって測定された67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星の² H ¹ HRは、地球の水の約3倍です。^[7]これにより、地球の水の一部が小惑星起源である可能性があるという示唆に新たな関心が集まっています。

重水素は他の地球型惑星、特に火星と金星でも太陽の平均存在比を超えて集中していることが観測されている。^[17]

重水素は、工業、科学、軍事目的で、通常の水（そのごく一部は天然に存在する重水）から始めて、ガードラー硫化法、蒸留、またはその他の方法で重水を分離することによって生産されます。^[18]

理論上は、重水用の重水素は原子炉で生成できるが、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ある。

1997 年に最後の重水工場が閉鎖されるまで、世界有数の重水素供給元はカナダ原子力公社でした。カナダは、 CANDU 原子炉設計の運用において、中性子減速材として重水を使用しています。

重水のもう一つの主要生産国はインドです。インドの原子力発電所は 1 か所を除いてすべて加圧重水発電所で、天然 (つまり濃縮されていない) ウランを使用しています。インドには 8 つの重水発電所があり、そのうち 7 つが稼働しています。6 つの発電所 (そのうち 5 つが稼働中) は、アンモニアガスでの D-H 交換に基づいています。他の 2 つの発電所は、高圧の 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。

インドは自国で使用する重水を自給自足しているが、原子炉級の重水も輸出している。

式: D ₂または²
₁H
₂

• 密度: STP (0 °C、101325 Pa)で0.180 kg/m ^{3 。}
• 原子量：2.0141017926 Da。
• 海水中の平均存在量（VSMOWより）水素のすべての同位体の原子100万個あたり155.76 ± 0.1個の重水素原子（6420個中約1個の重水素原子）；つまり、すべての水素原子（すべての同位体）の約0.015%

² H ₂（三重点）の約 18 K でのデータ:

• 密度：
  • 液体: 162.4 kg/m ³
  • ガス: 0.452 kg/m ³
  • 液化^2H2O : 1105.2 kg/ m3 ^（標準温度_）
• 粘度: 300 Kで12.6 μPa·s (気相)
• 定圧における比熱容量c _p :
  • 固体: 2950 J/(kg·K)
  • ガス: 5200 J/(kg·K)

地球上の天然の水素と比較すると、純粋な重水素（_2H2）^は融点（ 18.72K対13.99K）、沸点（ 23.64対20.27K）、臨界温度（38.3対32.94K）、臨界圧力（1.6496対1.2858MPa）が高い。^[19]

重水素化合物の物理的性質は、重水素類似体とは顕著な運動学的同位体効果やその他の物理的・化学的性質の相違を示すことがある。例えば、² H ₂ O は通常のH ₂ Oよりも粘性が高い。^[20]重水素同位体の化合物は重水素と比較して結合エネルギーと長さに差があり、これは他の元素の同位体の違いよりも大きい。重水素と三重水素の結合は、重水素の対応する結合よりもやや強く、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ある。製薬会社は、 ^{2 H が1} Hよりも炭素から除去しにくいという事実に興味を持っている。^[21]

重水素は水分子中の^{1 H を置換して重水 ( 2} H ₂ O ) を形成し、これは通常の水よりも約 10.6% 密度が高い (そのため、重水素で作った氷は通常の水に沈む)。重水は真核動物に対してわずかに有毒であり、体水の 25% が置換されると細胞分裂障害や不妊症を引き起こし、50% が置換されると細胞毒性症候群 (骨髄不全および胃腸内壁不全) により死に至る。しかし、原核生物はゆっくりと成長するものの、純粋な重水中で生存し成長することができる。^{[22]この毒性にもかかわらず、通常の状況下での重水の摂取は人間の}健康を脅かすものではない。体重 70 kg (154 ポンド) の人が 4.8 リットル (1.3 米ガロン) の重水を飲んでも深刻な影響はないと考えられている。^[23]少量の重水（人体では数グラム、体内に通常存在する量と同量の重水素を含む）は、人体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。

重陽子はスピン+1 (「三重項状態」) を持ち、したがってボソンです。重水素のNMR周波数は、通常の水素とは大きく異なります。また、赤外線分光法では、重水素を含む化学結合の振動に見られる IR 吸収周波数と軽い水素の振動に大きな違いがあるため、多くの重水素化化合物を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E _B =でかろうじて結合している。2.23 MeVであり、それより高いエネルギー状態はどれも結合していない。一重項重陽子は仮想状態であり、負の結合エネルギーは約60 keV。このような安定した粒子は存在しないが、この仮想粒子は中性子-陽子非弾性散乱中に一時的に存在し、陽子の中性子散乱断面積が異常に大きくなる原因となっている。^[24]

重水素原子核は重陽子と呼ばれ、その質量は2.013 553 212 544 (15) Da ‍ [ ^25] (少し1.875 GeV/ c ^{2 [26]}）。

重陽子の電荷半径は2.127 78 (27) × 10 ⁻¹⁵  m . ^[27]

陽子半径と同様に、ミューオン重水素を使用した測定では、より小さな結果が生成されます。2.125 62 (78)  fm . ^[28]

重水素は、陽子数と中性子数が奇数であるわずか 5 つの安定核種の 1 つです( ² H、⁶ Li、¹⁰ B、¹⁴ N、^180m Ta。長寿命の放射性核種である⁴⁰ K、⁵⁰ V、¹³⁸ La、¹⁷⁶ Luも自然界に存在します)。ほとんどの奇数-奇核はベータ崩壊に対して不安定です。これは、崩壊生成物が偶数-偶数であり、したがって核対効果により強く結合するためです。しかし、重水素は、陽子と中性子がスピン 1 状態で結合しているという利点があり、これにより核引力が強くなります。対応するスピン 1 状態は、2 中性子系または 2 陽子系には存在しません。これは、パウリの排他原理により、同じスピンを持つ同一粒子のいずれかが、軌道角運動量などの別の量子数を持つことが求められるためです。しかし、どちらかの粒子の軌道角運動量は、主に核力の急勾配における粒子の距離の増加により、システムの結合エネルギーを低下させます。どちらの場合も、これにより二陽子と二中性子が不安定になります。

重水素中の陽子と中性子は、ニュートリノとの中性電流相互作用によって分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、サドベリーニュートリノ観測所の実験では、重水素がニュートリノの標的としてうまく使用されました。

二原子重水素（^2H2 ）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_{異性体を持つが、}スピン状態と回転準位の数と数が異なり、これは重水素が核スピンが1のボソンであるために生じる。^[29]

陽子と中性子は質量と核特性が類似しているため、同じ物体である核子の2つの対称型と見なされることがあります。陽子だけが電荷を持ちますが、強い核相互作用に比べて電磁相互作用が弱いため、電荷は無視できる場合が多いです。陽子と中性子の対称性はアイソスピンと呼ばれ、I (またはTの場合もあります) 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)対称性であるため、完全に類似しています。陽子と中性子は、それぞれが等スピン 1/2を持ち、アイソスピン二重項 (スピン二重項に類似) を形成し、"ダウン" 状態 (↓) は中性子、"アップ" 状態 (↑) は陽子です。^{[要出典]核子のペアは、}シングルト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のいずれかになります。"ダウン" 状態と "アップ" 状態に関して、シングルトは

${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|{\uparrow \downarrow }\rangle -|{\downarrow \uparrow }\rangle {\Big )}.}$は、次のようにも書くことができます。${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|pn\rangle -|np\rangle {\Big )}.}$

これは陽子1個と中性子1個からなる原子核、つまり重水素原子核である。三重項は

${\displaystyle \left({\begin{array}{ll}|{\uparrow \uparrow }\rangle \\{\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\uparrow \downarrow }\rangle +|{\downarrow \uparrow }\rangle )\\|{\downarrow \downarrow }\rangle \end{array}}\right)}$

したがって、原子核は対称的であるはずの 3 種類の原子核、つまり重水素原子核 (実際には高度に励起された状態)、2 つの陽子を持つ原子核、および 2 つの中性子を持つ原子核から構成されます。これらの状態は安定ではありません。

アイソスピン表現を使用する場合、重陽子の波動関数は反対称でなければなりません (陽子と中性子は同一の粒子ではないため、一般に波動関数は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 つの核子には波動関数のスピンと空間分布もあります。後者は、重陽子がパリティに関して対称である場合(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、重陽子がパリティに関して反対称である場合 (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。パリティは、2 つの核子の全軌道角運動量によって完全に決定されます。つまり、パリティが偶数の場合、パリティは偶数 (正)、奇数の場合、パリティは奇数 (負) です。

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交換では反対称であり、したがって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。

• 対称スピンとパリティの下での対称。この場合、2 つの核子の交換により、重水素波動関数は、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) で乗算され、反対称性に必要な合計 (-1) になります。
• 反対称スピンとパリティの下での反対称。この場合、2 つの核子の交換により、重水素波動関数は、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) で乗算され、反対称性に必要な合計 (−1) になります。

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。また、偶パリティを持ち、したがって軌道角運動量lも偶数です。軌道角運動量が低いほど、エネルギーも低くなります。したがって、可能な限り最低のエネルギー状態は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 0 です。また、奇パリティであるため、軌道角運動量l は奇数です。したがって、可能な最低エネルギー状態は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 の状態になります。

同様の考察から、 s = 0、l = 偶数またはs = 1、l = 奇数のアイソスピン三重項の状態が導き出されます。したがって、最低エネルギーの状態はs = 1、l = 1となり、アイソスピン一重項の状態よりも高くなります。

ここで示した分析は、実際には近似値に過ぎません。これは、アイソスピンが正確な対称性を持たないことと、さらに重要な点として、 2 つの核子間の強い核相互作用が、異なるs 状態とl状態を混合するスピン軌道相互作用における角運動量に関係しているためです。つまり、 sとl は時間に対して一定ではなく (ハミルトニアンとは可換ではありません)、時間の経過とともに、s = 1、l = 0などの状態がs = 1、l = 2の状態になる可能性があります。パリティは時間に対して一定であるため、これらは奇数のl状態 ( s = 0、l = 1など) と混合しません。したがって、重水素の量子状態は、最初の要素の方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) です。全角運動量jも良い量子数（時間的に一定）なので、両方の成分は同じj を持つ必要があり、したがってj = 1 となります。これが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) パリティを持ちます。その核子の相対角運動量l は明確に定義されておらず、重水素は主にl = 0と一部l = 2の重ね合わせです。

重水素の磁気双極子モーメント μを理論的に求めるには、核磁気モーメントの式を用いる。

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{j+1}}{\bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\bigr |}\,{ \vec {\mu }}\cdot {\vec {\jmath }}\,{\bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\bigr \rangle }}$

と

${\displaystyle {\vec {\mu }}=g^{(l)}{\vec {l}}+g^{(s)}{\vec {s}}}$

g ^{( l )}とg ^{( s )}は核子の g因子である。

陽子と中性子はg ^{( l )}とg ^{( s )}の値が異なるため、それらの寄与を分離する必要があります。それぞれが重水素軌道角運動量とスピンの半分を受け取ります。 ${\displaystyle {\vec {l}}}$${\displaystyle {\vec {s}}}$

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{j+1}}{\Bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\Bigr |}\left({\frac {1}{2}}{\vec {l}}{g^{(l)}}_{p}+{\frac {1}{2}}{\vec {s}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})\right)\cdot {\vec {\jmath }}\,{\Bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\Bigr \rangle }}$

ここで下付き文字pとnは陽子と中性子を表し、g ^(l) _n = 0です。

ここでと同じ恒等式を使用し、値g ^(l) _p = 1を使用すると、核磁子 μ _{Nの単位で次の結果が得られます。}

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{4(j+1)}}\left[({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n}){\big (}j(j+1)-l(l+1)+s(s+1){\big )}+{\big (}j(j+1)+l(l+1)-s(s+1){\big )}\right]}$

s = 1、l = 0状態（j = 1 ）の場合、

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{2}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})=0.879}$

s = 1、l = 2の状態（j = 1 ）では、

${\displaystyle \mu =-{\frac {1}{4}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})+{\frac {3}{4}}=0.310}$

重水素の磁気双極子モーメントの測定値は、0.857  μ _N、これは0.879  μ _Nという値は、陽子と中性子のモーメントを単純に足し合わせることで得られます。これは、重水素の状態がs = 1、l = 0 の状態にかなり近いことを示唆しています。この状態では、両方の核子が同じ方向に回転しますが、中性子の負のモーメントのために磁気モーメントが減算されます。

しかし、陽子と（負の）中性子モーメントの単純な加算から得られる数値よりもわずかに低い実験数値は、重水素が実際には主にs = 1、l = 0状態の線形結合であり、 s = 1、l = 2状態がわずかに混ざっていることを示しています。

電気双極子は通常通りゼロです。

測定された重水素の電気四重極子は0.2859  e · fm ²。大きさのオーダーは妥当ですが、重陽子の半径は 1 フェムトメートルのオーダー (下記参照) であり、その電荷はe であるため、上記のモデルは計算には不十分です。より具体的には、電気四重極子はl = 0状態 (支配的な状態)からの寄与を受けず、 l = 0状態とl = 2状態を混合した項からの寄与を受けます。これは、電気四重極子演算子が角運動量と交換しないためです。

後者の寄与は、純粋なl = 0 の寄与がない場合には支配的であるが、重水素内部の 核子波動関数の正確な空間形状を知らなければ計算できない。

同様の理由により、より高い磁気および電気多重極モーメントは上記のモデルでは計算できません。

重水素は重水減速核分裂炉で、通常は液体の2H2Oとして^使用され、通常の水素のような高い中性子吸収なしに中性子を減速させます。_[ ^30]これは、大量の重水素の一般的な商業的用途です。

研究用原子炉では、液体の² H _{2 を}冷源として使い、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減速させます。

実験的には、重水素は、特に三重水素と組み合わせて核融合炉の設計に使用される最も一般的な核種であり、これは重水素–三重水素 (DT) 反応の反応率 (または核断面積) が大きく、エネルギー収量が高いためです。さらに収量の高い² H– ³ He核融合反応もありますが、² H– ³ Heの損益分岐点は他のほとんどの核融合反応よりも高く、³ He の希少性と相まって、少なくとも DT および重水素–重水素 (DD) 核融合が商業規模で実行されるまでは、実用的な電源としては考えられません。商業用核融合はまだ完成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(陽子 NMR )で次のように最も一般的に使用されます。NMR では通常、分析対象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含まれる軽い水素とは異なるため、水素/陽子の NMR スペクトルは重水素のスペクトルと大きく区別でき、実際には¹ H 用に調整された NMR 機器では重水素は「見え」ません。そのため、重水素化溶媒 (重水だけでなく、重水素化クロロホルム、CDCl ₃、C ² HCl ₃などの化合物も含む) は、溶媒信号の干渉なしに、対象化合物の軽い水素スペクトルのみを測定できるようにするために、NMR 分光法で日常的に使用されます。

核磁気共鳴分光法は、同位体標識サンプル中の重水素の環境に関する情報を得るためにも使用できます（重水素NMR）。例えば、脂質二重層中の炭化水素鎖の構成は、重水素標識脂質分子を用いた固体重水素NMRを使用して定量化できます。^[31]

重水素 NMR スペクトルは、例えば塩素 35 などのより大きな四極子核と比較して四極子モーメントが比較的小さいため、固体状態では特に有益です。

重水素化化合物（すなわち、全部または一部の水素原子が重水素に置き換えられた化合物）は、質量分析法における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はるかに低コストです。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。^{[32] [33]}

化学、生化学、環境科学では、重水素は非放射性の安定同位体トレーサーとして、例えば二重標識水試験で使用されています。化学反応や代謝経路では、重水素は通常の水素と多少似た挙動を示します（前述のように、化学的な違いがいくつかあります）。通常の水素との最も簡単な区別は、質量分析法または赤外分光法を使用して、質量によって行うことができます。重水素は、質量の違いが分子振動の周波数に劇的な影響を与えるため、フェムト秒赤 外分光法で検出できます。2^つのH–炭素結合の振動は、他の信号がないスペクトル領域で見つかります。

重水素の自然存在比の小さな変動、および安定した重い酸素同位体¹⁷ O と¹⁸ O の自然存在比の小さな変動の測定は、地球上の水の地理的起源をたどる水文学において重要です。雨水 (降水) 中の水素と酸素の重い同位体は、降水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、濃縮は緯度に関連します)。雨水 (平均海水を基準として) 中の重い同位体の相対的な濃縮は、温度に対してプロットすると、全球降水線(GMWL) と呼ばれる線に沿って予測どおりに低下します。このプロットにより、降水起源の水のサンプルを、それが発生した気候に関する一般的な情報とともに特定できます。水域での蒸発などのプロセス、および地下水プロセスも、淡水と塩水の水素と酸素の重い同位体の比率を特徴的で多くの場合地域的に独特な方法で差別的に変化させます。^{[34] 2} Hと¹ Hの濃度比は通常、 δ2Hとしてデルタで示され、これらの値の地理的パターンはアイソスケープと呼ばれる地図にプロットされます。安定同位体は植物や動物に組み込まれており、渡り鳥や昆虫の比率を分析することで、それらの起源の大まかなガイドを示唆することができます。^{[ 35] [36]}

中性子散乱技術は、重水素化サンプルの利用可能性から特に恩恵を受けます。1 ^Hと² H の断面積は非常に明確で、符号も異なるため、このような実験ではコントラストの変化が可能になります。さらに、通常の水素の厄介な問題は、その大きな非干渉性中性子断面積ですが、² H の場合はゼロです。したがって、通常の水素を重水素に置き換えると、散乱ノイズが減少します。

水素は有機化学や生命科学のあらゆる材料において重要な主要成分ですが、X線とはほとんど相互作用しません。水素原子（重水素を含む）は中性子と強く相互作用するため、中性子散乱技術は現代の重水素化施設と相まって^[37] 、生物学や他の多くの分野における高分子の研究において重要な役割を果たしています。

以下を参照してください。太陽を含むほとんどの恒星は、その生涯のほとんどで、水素をより重い元素に融合させることによってエネルギーを生成します。しかし、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では成功したことがありません。したがって、水素爆弾の水素融合を含むすべての人工融合には、重い水素 (重水素、三重水素、またはその両方) が必要です。

重水素化医薬品は、薬物分子内の1つ以上の水素原子が重水素に置き換えられた小分子医薬品です。運動同位体効果により、重水素を含む医薬品は代謝率が著しく低下し、半減期が長くなる可能性があります。^{[38] [39] [40]} 2017年、デュテトラベナジンはFDAの承認を受けた最初の重水素化医薬品となりました。^[41]

重水素は、必須栄養素または条件付き必須栄養素内の特定の酸化されやすいC–H結合を強化するために使用することができ、^{[42]特定の}アミノ酸や多価不飽和脂肪酸（PUFA）などの、それらの酸化損傷に対する抵抗力を高めます。リノール酸などの重水素化多価不飽和脂肪酸は、生体細胞を損傷する脂質過酸化の連鎖反応を遅らせます。 ^{[43] [44]} Retrotope社が開発した重水素化リノール酸エチルエステル（RT001）は、乳児神経軸索ジストロフィーの人道的使用試験中であり、フリードライヒ運動失調症の第I / II相試験を無事完了しました。^{[45] [41]}

経口ポリオワクチンなどの生ワクチンは、重水素単独、またはMgCl2_などの他の安定剤と組み合わせて安定化させることができる。^[46]

重水素は、ラット、ハムスター、ゴニオラックス渦鞭毛藻に投与すると、概日時計の振動周期を長くすることが示されている。^{[47] [48] [49] [50]}ラットでは、25% ² H ₂ O の慢性摂取により、脳の視床下部にある視交叉上核依存性リズムの概日周期が長くなり、概日リズムが乱れる。 ^[49]ハムスターの実験でも、重水素が視交叉上核に直接作用して、自由に動く概日周期を長くするという理論が裏付けられている。^[51]

軽い元素の非放射性同位体の存在は、1913年という早い時期にネオンの研究で疑われており^[要出典]、1920年に軽元素の質量分析によって証明された^{[要出典]。}当時、中性子はまだ発見されておらず、元素の同位体は原子核内の追加の陽子と同数の核電子の存在によって異なるという理論が一般的でした。この理論では、質量2で電荷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質量が1に非常に近い水素元素は、陽子の既知の質量である1 Daは常に単一の陽子 (既知の粒子) で構成された原子核を持ち、2 番目の陽子を含むことはできません。したがって、水素には重い同位体は存在しないと考えられていました。 ^{[引用が必要]}

1931年後半、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。ユーリーの協力者であるフェルディナンド・ブリックウェッデは、極低温で生成された液体水素5リットルを蒸留して、 ワシントンDCの国立標準技術局（現在の国立標準技術研究所）に最近設立された低温物理学研究所を使用して、1mLの液体を濃縮 した。この技術は以前にネオンの重い同位体を分離するために使用されていました。極低温沸騰技術は、質量2の水素同位体の割合を、分光学的同定が明確になるほど濃縮しました。^{[52] [53]}

ユーリーは1934年に発表された論文で、プロチウム、デューテリウム、トリチウムという名前を作った。この名前は、一部は「デューティウム」という名前を提案したギルバート・N・ルイスの助言に基づいている。この名前はギリシャ語の「2番目」を意味するdeuterosに由来し、原子核は「デューテロン」または「デュートン」と呼ばれることになっていた。同位体や新元素には、発見者が決めた名前が伝統的に与えられた。アーネスト・ラザフォードなどの一部のイギリスの科学者は、同位体をギリシャ語の「二重」を意味するdiploosから「ディプロゲン」と呼び、原子核を「ディプロン」と呼ぶことを望んだ。^{[4] [54]}

重水素の通常存在量として推定された量は非常に少なかったため（海水中の水素原子6400個中約1個（156 ppm））、これまでの（平均）水素原子質量の測定値に目立った影響はなかった。これが、重水素がこれまで疑われなかった理由である。ユーリーは水を濃縮して、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指導教官だったルイスは、1933年に純粋な重水の最初のサンプルを準備し、特性を明らかにしていた。1932年の中性子の発見に先立つ重水素の発見は、理論にとって実験的な衝撃であったが、中性子が報告されて重水素の存在がより説明可能になると、ユーリーは同位体の単離からわずか3年で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、バークレー校の高官数名はこの失望が10年後の彼の自殺の中心的な役割を果たしたと信じていた。 ^{[55] [56] [57] [4]}

戦争の直前、ハンス・フォン・ハルバンとリュー・コワルスキーは中性子減速に関する研究をフランスからイギリスに移し、ノルウェーで製造された重水の全量を26個のドラム缶に入れて密輸した。^{[58] [59]}

第二次世界大戦中、ナチスドイツは原子炉設計の減速材として重水を使用する実験を行っていたことが知られていました。そのような実験は、原子爆弾用のプルトニウムを生産できる可能性があるため、懸念の種でした。最終的に、それは「ノルウェー重水破壊作戦」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生産/濃縮施設を破壊することでした。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、連合国はドイツが以前考えられていたほど真剣に計画に力を入れていないことを知った。ドイツは小型の、部分的に建設された実験用原子炉（隠されていた）を完成させただけで、連鎖反応を維持できなかった。戦争の終わりまでに、ドイツは原子炉を稼働させるのに必要な量の5分の1にも満たなかったが、これは部分的にはノルウェーの重水破壊作戦によるものだった^{[説明が必要]}。しかし、たとえドイツが原子炉の稼働に成功したとしても（米国が1942年後半にシカゴ・パイル1でやったように）、原子爆弾の開発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じたとしても、エンジニアリングのプロセスには米国とソ連の両国で約2年半（最初の臨界原子炉から爆弾まで）を要した。

米国が製造し、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、初めて完全に成功した水素爆弾（熱核爆弾）であった。この文脈では、放出されたエネルギーの大部分が原子爆弾の主要な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あった。アイビー・マイク爆弾は、運搬可能な兵器というよりは、工場のような建物であった。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、約1000リットルの容積（この容積が完全に満たされた場合の質量は160キログラム）の極低温液体重水素が含まれていた。次に、爆弾の一端にある従来の原子爆弾（「プライマリ」）を使用して、熱核反応を開始するために必要な極端な温度と圧力の条件を作り出した。

数年のうちに、極低温水素を必要としない、いわゆる「ドライ」水素爆弾が開発された。公開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、第2段階で重水素とリチウムの化合物が含まれている。重水素を含む物質は主に重水素化リチウムで、リチウムは同位体リチウム6で構成される。リチウム6が原子爆弾の高速中性子で攻撃されると、トリチウム（水素3）が生成され、次に重水素とトリチウムがすぐに熱核融合を起こし、豊富なエネルギー、ヘリウム4 、さらに多くの自由中性子を放出する。ツァーリ・ボンバなどの「純粋な」核融合兵器は時代遅れであると考えられている。ほとんどの現代の（「ブーストされた」）熱核兵器では、核融合は総エネルギーのほんの一部しか直接提供しない。 D-T核融合から生成された高速中性子による天然ウラン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（つまり増強された）エネルギー放出を引き起こします。

2018年8月、科学者らは気体の重水素が液体金属に変化したことを発表した。これは、木星、土星、一部の太陽系外惑星などの巨大ガス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、それが観測される強力な磁場の原因である可能性があるため、研究者らがこれらの惑星をよりよく理解するのに役立つ可能性がある。^{[60] [61]}

反重陽子は、反陽子と反中性子からなる重陽子の反物質対応物である。反重陽子は、1965年に欧州原子核研究機構（CERN）の陽子シンクロトロン^[62]とブルックヘブン国立研究所の交代勾配シンクロトロン^[63]で初めて生成された。陽電子が原子核を周回する完全な原子は反重水素と呼ばれるが、2019年現在、反重水素はまだ生成されていない。反重水素の提案された記号は^{[アップデート]}
だ
つまり、Dにオーバーバーが付いたものとなる。^[64]

• 水素の同位体
• トカマク

• 「原子力データセンター」。KAERI。
• 「重水素の注釈付き参考文献」。ALSOS : 核問題デジタル図書館。バージニア州レキシントン:ワシントン・アンド・リー大学。2010年5月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年11月26日閲覧。
• マリンズ、ジャスティン (2005 年 4 月 27 日)。「デスクトップ核融合の実証」。ニューサイエンティスト。
• ロイド、ロビン (2006 年 8 月 21 日)。「天の川銀河で失われたガスが発見される」。Space.com。