水素の同位体

水素（_{1 H）には、} ¹ H、² H、³ Hの3つの天然同位体があります。1 Hと^{2 Hは}安定していますが、³ Hの半減期は12.32(2)年です。^{[3] [注 1]}より重い同位体も存在しますが、すべて合成されており、半減期は1ゼプト秒（10 ⁻²¹ 秒）未満です。^{[4] [5]} これらのうち、⁵ Hは最も安定性が低く、⁷ Hは最も安定性が高いです。

水素は、同位体が異なる名前を持ちながらも今日まで一般的に使用されている唯一の元素である。2 Hは重水素^[6]、³ Hは三重水素^[7]である。記号DとTは、重水素と三重水素に使用されることがある。IUPAC（国際純正応用化学連合）は^これらの記号を受け入れているが、化学式のアルファベット順での並び替えで混乱を避けるために、標準同位体記号² Hと³ Hを推奨している。^[8]中性子を持たない¹ Hは、曖昧さをなくすためにプロチウムと呼ばれることがある。^[9]（放射能の研究の初期には、他のいくつかの重い放射性同位体にも名前が付けられていたが、そのような名前は現在ではほとんど使用されていない。）

注: 「y」は年を意味しますが、「ys」はヨクト秒(10 ⁻²⁴秒) を意味します。

¹ H（原子量1.007 825 031 898 (14)  Da ) は最も一般的な水素同位体であり、存在比は >99.98% です。その原子核は1 つの陽子のみで構成されているため、正式名称はプロチウムです。

陽子が崩壊する様子は観測されていないため、¹ Hは安定同位体と考えられている。1970年代に提唱されたいくつかの大統一理論では、陽子の崩壊は半減期が1000万分の1秒から1000万分の1秒の間であると予測されている。10 ²⁸と10 ³⁶年である。^[14]もしそうなら、¹ H（および現在安定であると信じられているすべての原子核）は観測的にのみ安定していることになる。2018年現在、実験により陽子の平均寿命は>3.6 × 10 ²⁹年。^[15]

重水素、² H（原子量2.014 101 777 844 (15)  Da ) は、もう 1 つの安定な水素同位体で、原子核に 1 つの陽子と 1 つの中性子を持ち、重陽子と呼ばれます。² H は、地球上の水素に 26～184 ppm (質量ではなく、割合) 含まれています。この数値が低いのは水素ガス中に含まれる傾向があり、高い濃度 (150 ppm) は海水に典型的です。 地球上の重水素は、ビッグバンおよび太陽系外部(原子分率で約 27 ppm)、および天の川銀河の古い部分(約 23 ppm)の初期濃度に比べて濃縮されています。 おそらく、太陽系内部での重水素の濃度差は、重水素ガスおよび化合物の揮発性が低いため、太陽系の進化の数十億年の間に太陽からのかなりの熱にさらされた彗星や惑星で重水素分が濃縮されているためと考えられます。

重水素は放射性ではなく、重大な毒性の危険性もありません。² Hが濃縮された水は重水と呼ばれます。重水素とその化合物は、化学実験における非放射性ラベルとして、また¹ H-核磁気共鳴分光法の溶媒として使用されます。重水は、原子炉の中性子減速材および冷却剤として使用されます。重水素は、商業用核融合の潜在的な燃料でもあります。

トリチウム、³ H（原子量3.016 049 281 320 (81)  Da )は、原子核（トリトン）に1つの陽子と2つの中性子を含む。放射性であり、β-崩壊し^て半減期が1.5時間でヘリウム3に崩壊する。 12.32(2) 年。^{[注 1] [3]}宇宙線が大気中のガスと相互作用することで、痕跡量の^{3 H が自然に発生します。 3 H は}核実験でも放出されています。核融合爆弾、同位体地球化学のトレーサー、自己発電照明装置などに使用されています。

³ Hを生成する最も一般的な方法は、原子炉内でリチウムの天然同位体である⁶ Liに中性子を衝突させることです。

トリチウムは、放射性トレーサーとして化学および生物学的標識実験で使用することができます。^{[16] [17]} 重水素-トリチウム核融合は、² Hと³ Hを主な反応物として使用し、2つの原子核が衝突して高温で融合するときに質量を失うことでエネルギーを与えます。

⁴ H (原子量 4.026 43 (11) ) は、陽子 1 個と中性子 3 個からなる非常に不安定な同位体です。実験室では、三重水素に高速で移動する重陽子を衝突させることで合成されています。 ^{[18]三重水素は重陽子から中性子を捕獲します。放出された陽子を検出することで4} Hの存在が推定されました。中性子放出によって半減期³ Hに崩壊します。139(10) 年（または1.39(10) × 10 ⁻²²  s）。

1955年の風刺小説『吠えるネズミ』では、グランドフェンウィック公国がアメリカから奪った Q爆弾の動力源である4H^にクアディウムという名前が付けられました。

⁵ H (原子量 5.035 31 (10) ) は、1つの陽子と4つの中性子を持ち、非常に不安定です。これは、高速で移動するトリトンをトリチウムに衝突させることによって実験室で合成されました。^{[18] [19]} 1つのトリトンが他のトリトンから2つの中性子を捕獲し、1つの陽子と4つの中性子を持つ原子核になります。残りの陽子が検出され、^{5 Hの存在が推定されます。これは、二重}中性子放出によって³ Hに崩壊し、半減期は86(6) 歳(8.6(6) × 10 ⁻²³  s）は既知の核種の中で最も短い半減期である。^[3]

⁶ H (原子量 6.044 96 (27) )は1つの陽子と5つの中性子を持つ。半減期は294(67) 年（2.94(67) × 10 ⁻²²  s）。

⁷ H (原子量 7.052 75 (108) ) は、1つの陽子と6つの中性子を持つ。2003年にロシア、日本、フランスの科学者グループが理化学研究所の放射性同位体ビーム工場で水素にヘリウム8原子を衝突させることで初めて合成した。ヘリウム8の6つの中性子はすべて水素原子核に提供された。残りの2つの陽子は、RIビームサイクロトロンのターゲットの後ろに配置された、数層のセンサーで作られた装置「理化学研究所望遠鏡」によって検出された。^{[5] 7} Hの半減期は652(558) 年（6.52(558) × 10 ⁻²²  s）。^[3]

⁴ Hと⁵ Hは直接³ Hに崩壊し、その後3 Hは安定した³ Heに崩壊します。最も重い同位体である⁶ Hと⁷ Hの崩壊は実験的に観測されていません。^[11]

${\displaystyle {\begin{array}{rcl}\\{\ce {^{3}_{1}H}}&{\ce {->[12.32\ {\ce {y}}]}}& {\ce {{^{3}_{2}彼}+e^{-}}}\\{\ce {^{4}_{1}H}}&{\ce {->[139\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{5}_{1 }H}}&{\ce {->[86\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{2_{0}^{1}n}}}\\{}\end{配列}}}$

減衰時間はヨクト秒（³ Hを除くすべての同位体の寿命は10 ⁻²⁴  s （年）です。

• 水素原子
• 水素同位体生物地球化学
• 水素-4.1（ミューオンヘリウム）
• ミューオニウム– 水素のエキゾチックな軽い同位体のように作用する
• ウィキメディア・コモンズの水素同位体に関連するメディア

• Dumé, B. (2003 年 3 月 7 日)。「水素 7 がデビュー」。Physics World。