水素の同位体

水素（_1H ）には、^1H、^2H、^3Hの3つの天然同位体が存在する。1Hと^2Hは安定しているが、^3Hの半減期は12.32年。^{[ 4 ] [ nb 1 ]}より重い同位体も存在します。すべて合成であり、半減期は 1ゼプト秒(10 ⁻²¹ 秒) 未満です。^{[ 5 ] [ 6 ]}

水素は、同位体に異なる名前が付けられ、現在も一般的に使用されている唯一の元素です。2 ^Hは重水素[ 7 ^]、3 H^は三重水素です。 [ ^{8 ]記号}D と T は、重水素と三重水素に使用されることがあります。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ますが、化学式のアルファベット順の混乱を避けるために、標準的な同位体記号² H と³ H を推奨しています。^{[ 9 ]}中性子を持たない¹ H は、区別するためにプロチウムと呼ばれることがあります。^{[ 10 ]}放射能の初期の研究では、他のいくつかの重い放射性同位体に名前が付けられましたが、そのような名前は今日ではほとんど使用されていません。

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、存在比は >  99.98% です。その原子核は陽子1 個のみで構成されているため、正式にはプロチウムという名前が付けられています。

陽子の崩壊はこれまで観測されていないため、^¹Hは安定核種と考えられている。これは中性子を持たない唯一の安定核種である。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 1/2 秒で起こり得ると予測されている。10 ²⁸と10 ³⁶年。^{[ 15 ]}もしそうなら、¹ H (および現在安定していると考えられているすべての原子核) は観測的に安定しているにすぎない。2018 年現在、実験では陽子の平均寿命が > であることが示されています。 3.6 × 10 ²⁹年。^{[ 16 ]}

重水素、^2H（原子量）2.014 101 777 844 (15) Da  ) は、もう 1 つの安定水素同位体で、原子核に 1 つの陽子と 1 つの中性子を持ち、重水素と呼ばれます。² H は、地球上の水素の 26 ～ 184 ppm (質量ではなく、個数比) を占めています。低い値は水素ガスに見られる傾向があり、高い濃縮 (150  ppm) は海水に典型的です。 地球上の重水素は、ビッグバンと太陽系外縁部(原子比≈  27 ppm) および天の川銀河の古い部分(≈ 23 ppm)における初期濃度に比べて濃縮されています。 おそらく、太陽系内縁部における重水素の濃度の差は、重水素ガスと化合物の揮発性が低いことに起因し、数十億年にわたる太陽系の進化の中で太陽からの大きな熱にさらされた彗星や惑星で重水素の割合が濃縮されたためと考えられます。   

重水素は放射性物質ではなく、重大な毒性リスクもありません。重水素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標識として、また¹H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材として使用されます。重水素は、商業用核融合の燃料としても有望視されています。

トリチウム、^3H（原子量）3.016 049 281 320 (81) Da  ) は、原子核に陽子 1 個と中性子 2 個（トリトンと呼ばれる）を持つ。放射性であり、半減期 100でβ ⁻崩壊してヘリウム 3になる。12.32 年。^{[ nb 1 ] [ 4 ] 3H}の痕跡は、宇宙線が大気ガスと相互作用することによって自然に発生します。3H^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、および自己発電照明装置に使用されています。

^3H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6Liに中性子を照射することです。

トリチウムは、放射性トレーサーとして化学的および生物学的標識実験に使用できます。^{[ 17 ] [ 18 ]}重水素-トリチウム融合は、^2Hと^3H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の損失によってエネルギーを与えます。

⁴ H (原子量4.026 43 (11) Da  ) 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。これは、高速で移動する重水素をトリチウムに照射することによって実験室で合成されました。^{[ 19 ]トリチウムは重水素から中性子を捕獲しました。放出された陽子を検出することによって4} Hの存在が推測されました。これは中性子放出によって³ Hに崩壊し、半減期は 1.026 43 (11 ) Daです。139(10)年 (1.39(10) × 10 ⁻²² 秒)。

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合衆国から奪取したQ爆弾の動力源となった^4Hに「クアディウム」という名前が付けられた。

⁵ H (原子量)5.035 31 (10) Da  ) は、陽子 1 個と中性子 4 個からなる原子核で、非常に不安定です。実験室では、トリチウムに高速のトリトンを照射することで合成されています。^{[ 19 ] [ 20 ]} 1 つのトリトンがもう 1 つのトリトンから 2 つの中性子を捕獲し、陽子 1 個と中性子 4 個からなる原子核になります。残りの陽子を検出することで、⁵ H の存在を推測できます。これは、二重中性子放出により³ Hに崩壊し、半減期は10 です。86(6)歳 (8.6(6) × 10 ⁻²³ 秒） – 既知の核種の中で最も短い半減期。^{[ 4 ]}

⁶ H (原子量)6.044 96 (27) Da  ) は陽子1 個と中性子5 個を持つ。半減期は294(67)年 (2.94(67) × 10 ⁻²² 秒）。2025年には、 855 MeVの電子ビームを⁷ Liターゲットに照射して⁶ Hを生成した。^{[ 21 ]} 

⁷ H (原子量)7.052 75 (108) Da  ) は陽子1 個と中性子6 個から構成されています。これは 2003 年に、理化学研究所の放射性同位体ビームファクトリーでロシア、日本、フランスの科学者グループによって、水素にヘリウム 8原子を照射することによって初めて合成されました。ヘリウム 8 の 6 個の中性子はすべて水素原子核に供給されました。残りの 2 個の陽子は、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、複数のセンサー層からなる装置「理化学望遠鏡」によって検出されました。^{[ 6 ] 7} H の半減期は 7.052 75 (108) Da です。652(558)年 (6.52(558) × 10 ⁻²² 秒) ^{[ 4 ]}

^4Hと^5Hは直接3Hに崩壊し^、その後安定な^3Heに崩壊する。最も重い同位体である6Hと7Hの崩壊は実験^的に^観測されていない。^{[ 1 ]}$${\displaystyle {\begin{array}{rcl}\\{\ce {^{3}_{1}H}}&{\ce {->[12.32\ {\ce {y}}]}}&{\ce {{^{3}_{2}彼}+e^{-}}}\\{\ce {^{4}_{1}H}}&{\ce {->[139\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{5}_{1}H}}&{\ce {->[86\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{2_{0}^{1}n}}}\\{}\end{配列}}}$$

減衰時間はヨクト秒単位です（ これらの同位体すべてについて10 ⁻²⁴秒) ですが、 ³ H については年単位です。

• 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– 水素の特殊な軽同位体のような働きをする
• ウィキメディア・コモンズにある水素同位体に関するメディア

• Dumé, B. (2003年3月7日). 「水素7が初登場」 . Physics World .