什么是氢

氢是一种化学元素，元素符号为H，氢原子仅由一个质子和一个电子组成，是最简单的原子，位于元素周期表的第一位（见图1-5）。

自然界中的氢以 ¹ H（氕〈piē〉，H）、 ² H（氘〈dāo〉，D）和 ³ H（氚〈chuān〉，T）三种同位素的形式存在（见图1- 6），相对丰度 分别约为99.984 4%、0.015 6%、低于0.001%。其中氚具有放射性，半衰期为12.46年。如果不做特别说明，氢一般指含量最丰富的氕。

质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称为同位素。在自然界中天然存在的同位素称为天然同位素，人工合成的同位素称为人造同位素。如果该同位素有放射性，则被称为放射性同位素。有些放射性同位素是自然界中存在的，有些则是利用核粒子，如质子、α粒子或中子轰击稳定的核而人为产生的。

氕〈piē〉（ ¹ H）：氢的主要稳定同位素，元素符号为H，它的原子核仅由一个质子组成，质量数为1［见图1-6（a）］。它是氢的主要成分，其天然丰度为99.984 4%。按原子百分数计，氕是宇宙中最多的元素，在地球上的含量仅次于氧，它主要分布于水及各种碳氢化合物中。在常温下，氕是无色、无味、无臭的气体。

氘〈dāo〉（ ² H）：氢的一种稳定形态同位素，也称为重氢，元素符号为D或 ² H，它的原子核由一个质子和一个中子组成，质量数为2［见图1- 6（b）］。在大自然中氘的含量约为一般氢的七千分之一，少量存在于天然水中，通常其在水的氢中含量为0.013 9%～0.015 7%，化学性质与氕完全相同，但因质量大，反应速度小一些。氘可用于核反应，并在化学和生物学的研究工作中作为示踪原子。重氢在常温常压下为无色、无臭、无毒的可燃性气体。

氚〈chuān〉（ ³ H）：氢的放射性同位素，即“超重氢”。元素符号为T或 ³ H，它的原子核由一个质子和两个中子组成，质量数为3［见图1- 6（c）］。在自然界中，氚含量极微，一般由核反应制得，主要用于热核反应。用中子轰击锂可产生氚。

人造氢同位素则有 ⁴ H、 ⁵ H、 ⁶ H、 ⁷ H等，人造同位素不稳定，目前基本还没有被利用。

⁴ H：氢的一种人造同位素，它包含了一个质子和三个中子。在实验室里，是用氘的原子核轰炸氚的原子核而合成一个 ⁴ H的原子核。在此过程中，氚的原子核会从氘的原子核上吸收一个中子，半衰期为9.936 96×10 ^{— 23} s。

⁵ H：氢的一种人造同位素，它的原子核包含了一个质子和四个中子，在实验室里用一个氚的原子核轰炸氚，让氚吸收两个氚原子核的质子而形成 ⁵ H。 ⁵ H的半衰期非常短，只有8.019 30×10 ^{— 23} s。

⁶ H：氢的一种不稳定人造同位素，它包含了一个质子和五个中子，半衰期为3×10 ^{— 22} s。

⁷ H：氢的一种不稳定人造同位素，它包含了一个质子和六个中子。

氢同位素主要有以下3种用途：

（1）热核反应的原料。这是氢同位素最重要的用途。氢的同位素氘和氚可以作为热核聚变的材料，在一定的条件下（如超高温和高压），氘和氚发生核聚合反应即核聚变，生成氦和中子，并产生大量的热。

反应式如下：

每消耗1 g的氘、氚核聚变燃料可获得的能量相当于8 t汽油在燃烧反应中所放出的能量。由此可见核聚变的巨大潜力，图1- 7为其反应示意图。

尽管还有其他核素之间也能发生核聚变，但因为原子核所带电荷越多越需要更高的温度引发核聚变，所以人们选用质量最轻的几种核素作为聚变核燃料。虽然核聚变的能量密度很高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作能源目前仍只在理论上可行。

（2）测定地球的古气候。随着稳定同位素研究的进展，利用氧、氢同位素测定古气候已成为沉积环境地球化学研究的前沿课题。当含有放射性同位素的物质形成后，与周围环境隔绝的放射性同位素（母体）不断地衰变而减少，衰变产生的稳定同位素（子体）在该物体中产生相应的积累。通过准确地测定物体中同位素母体和子体的含量，再根据放射性衰变定律可计算出该物体的年龄。从20世纪60年代开始，美国、中国和西欧国家的冰川学家就在南极大陆和格陵兰岛的内陆冰盖上钻取冰芯，通过分析不同年代冰芯里的氢同位素、氧同位素、痕量气体、二氧化碳、大气尘及宇宙尘等，来确定当时的全球平均气温、大气成分、大气同位素组成、降水量等诸项气候环境要素（见图1- 8）。该应用对加深认识当今全球气候变化和预估未来气候至关重要。

（3）同位素示踪技术。自然界中组成每个元素的稳定核素和放射性核素大体具有相同的物理性质和化学性质，即放射性核素或稀有稳定核素的原子、分子及其化合物，与普通物质的相应原子、分子及其化合物具有相同的物理和化学性质。因此，可利用放射性核素或经富集的稀有稳定核素来示踪待研究的客观世界及其变化过程。通过放射性测量方法，可观察由放射性核素标记的物质的分布和变化情况。氘和氚可以作为示踪剂研究化学过程和生物化学过程的微观机理。因为氘原子和氚原子都保留普通氢的全部化学性质，而氘、氚与氢的质量不同，氘和氚的放射性也不同。示踪技术可以深入研究示踪分子的来龙去脉。例如，利用氢同位素记录污水的历史，可以为控制污水排放提供依据。利用最新的“氢稳定同位素质谱技术”，开发出对环境中有机污染物的“分子水平氢稳定同位素指纹分析法”，可以追踪污染源。