在開始讨論之前，我們需要先厘清這樣三個概念：元素、同位素、核素。

元素：

指的是一類物質，它是原子核内質子數相同的一類原子的總稱，由于質子都帶正電荷，所以相同元素的原子核都攜帶了相同數量的正電荷。

例如：氫元素的原子核中隻有1個質子，氦元素有2個質子，碳元素有6個質子，而鈾元素則有多達92個質子。

氫在元素周期表中的位置

同位素：

指的是某一類化學元素的變體，它們盡管質子數相同，但擁有的中子數量不同，因此總核子數不同。這些不同核子數的原子互為同位素。

例如：碳-12、碳-13和碳-14是碳元素的三種同位素；鈾-235與鈾-238互為同位素。

核素：

指具體的一種原子，它們原子核中的質子數相同，中子數也相同。

比如：我們今天讨論的氫元素，它原子核中隻有一個質子；氫元素有三種自然同位素氕、氘和氚，它們的原子核中都隻有一個質子，但中子數不同；氕、氘、氚互為同位素，它們各自都是核素。

氫元素的三種同位素

氫的同位素不止三種，準确地說，氕、氘、氚是氫元素的三種自然同位素，我們可以在大自然中找到它們。

氫元素還有若幹種人工合成的同位素，比如氫-4、氫-5、氫-6、氫-7等等，這些核素我們不能在自然狀态下找到，它都是科學家們利用對撞機轟擊原子核制造出來的，并且它們的壽命極其短暫，我們在接下來的章節會介紹。

科學家利用對撞機制造新的核素甚至新的元素

我們知道，氫是元素同期表中最輕的一類元素，因為它的原子核中隻有一個質子。氫的原子序數為1，标準原子質量為1.008u。但是請注意：這裡的氫主要指的是氫元素最主要的一種核素氕，由于氕在氫元素的所有同位素中豐度超過99.98％，因此我們通常直接把氕稱為氫。氕的其它同位素盡管也隻有一個質子，但它們有中子，所以原子量會各不相同，有的核素比如氫-7的原子質量甚至會超過锂。

氕是宇宙中最多的一種核素，它的原子核就是一個質子，所以我們将它寫成¹H或氫-1。氕的英文名稱為protium，但因為99.98％的氫元素都是protium，所以在大多數時候人們将其直接稱為氫。氕的中文讀[piē]，與“瞥”同音。

氕的放電（光譜）管

關于氫的衆多物理化學性質，我們已經在之前的文章《元素的奧秘——氫》、《氫元素的奇怪形态》中做了詳細介紹，在此就不再重複。本文将重點談一談氕的其它同位素。

氘與氕不同，它的原子核裡除了有一個質子外，還有一個中子。它的原子量是2，所以我們将它寫成²H、氫-2或重氫。氘的英文名稱為deuterium，所以它也常常被簡寫為D。氘的中文讀[dāo]，與“刀”同音。

氘的放電（光譜）管，可以看出它與氕的不同

氘在地球上的豐度約為所有氫元素數量的0.0026-0.0184％，可以想見它的含量極少。盡管如此，由于氫在地球上的總量很大，因此氘的總含量也是相當可觀的。與氫類似，氘在地球表面通常也以氧化物的形态存在，海水中氘的數量大約為氫的0.02%，如果将海水中的氘全部提取出來，我們将能得到40萬億噸的氘，這是一個極其驚人的數字！

那麼問題來了，我們要氘何用？

氘的作用大多與核有關，涉及到核能發電與核武器原料的生産。

核反應堆的堆芯浸沒在一個巨大的重水池中

氘是重氫，氘與氧氣結合後就是重水D₂O，重水無毒，但喝多了也不好。

與普通“輕水”不同的是，由于氘原子核中已經有了一個中子，它就不那麼容易再吸收中子（還是會有吸收，我們後面會講）。我們知道，現在核電站的反應堆都是核裂變反應堆，它利用的是鈾衰變過程産生的熱來推動蒸汽輪機發電。由于鈾在衰變的過程中會釋放中子，中子的能量如果過高，它一方面會造成難以控制的鍊式反應，同時還會跑出來産生放射性危害，所以我們需要将反應堆整個兒泡在水裡，讓水來吸收中子的能量，為中子減速。與普通的輕水相比，重水的減速效果更好，反應堆對放射性原料濃度和設備的要求也更低，盡管重水很貴，但由于在其它方面的成本降低，所以總的來說重水反應堆在商業上更劃算。

紅色的中子在重水中與更重的原子核碰撞，能量被削弱

從另一個角度，重水反應堆為某些機構獲得武器級钚提供了更大的可能（具體原因我們将在介紹鈾的文章中詳細解釋）。同時，盡管重水吸收中子的可能性較低，但一旦它吸收了中子就變成了氚，氚是制造核武器的重要原料之一。所以相比于輕水反應堆來說，重水反應堆有更大的核擴散風險。

在重水池中安裝核燃料棒

氘本身是不錯的核聚變原料。

我們在前面提到氘相對比較容易從海水中獲取，并且地球海水中氘的總量達到40萬億噸，這是個極其龐大的數字。同時，科學家們知道在太陽核心P-P核聚變反應鍊中，氘占有非常重要的地位，如果我們能将地球上的氘用于核聚變發電，那将是一種取之不盡用之不竭的能源。

P-P聚變反應鍊，氘可與氕融合為氦-3（中間部分）

氚在自然界的含量可以用“痕量”來形容，因為隻有極高能量（必須具有大于4.0MeV的能量）的快中子與上層大氣中的氮原子相互作用才可能産生氚。氚的原子核中有1個質子和2個中子，它的原子量為3，因此又稱為氫-3，平時可用³H或英文字母T來表示。讀字讀半邊，氚就念“川”。

由于原子核裡中子的數量與質子的數量不相等，氚不穩定且有放射性。每隔4500天就有一半的氚會衰變為氦-3，在這個過程中，中子會衰變為質子，我們稱氚的半衰期為12.32年，所以地球表面能找到的的氚是少之又少。

前面提到，重水反應堆裡的氘在受到中子轟擊後有可能吸收中子變成氚，事實上，世界上絕大多數的氚庫存都是從核反應堆裡得來的。核發電企業通過每年對反應堆重水進行加工，那些捕獲了中子的重水變成超重水，我們可以從1000噸重水中分離出1千克的氚。

從重水中提取氚的效率不高，科學家還通過在反應堆周圍敷設金屬锂-6或含锂陶瓷（包括Li₂TiO₃和Li₄SiO₄），通過讓高能量的中子轟擊锂來獲得氚。在核聚變實驗裝置中，科學家們也通過在托卡馬克環的四周敷設含锂陶瓷瓦來吸收中子、制取氚。

托卡馬克裝置的内壁敷設锂陶瓷瓦來獲取氚

為什麼需要氚？

氚是制造氫彈的最主要原料，同時它也是生物化學工業中一種理想的放射性示蹤劑。在未來的可控核聚變發電中，氚是一種清潔的聚變燃料。

氘與氚聚變生成氦-4，同時産生大量能量

氫-4（⁴H）

氫-4的原子核含有1個質子和3個中子，它的原子量為4，原子質量為4.026u，因此表示為⁴H。科學家們用快速移動的氘核轟擊氚，氚核從快速移動的氘核中捕獲了一個中子，從而變為⁴H。氫-4極不穩定，它會通過向外發射1個中子衰變為氚，半衰期僅為1.39×10⁻²²秒。

氫-5（⁵H）

氫-5的原子核裡有1個質子和4個中子，它的原子量為5。它是由兩個氚核相互轟擊形成的，在這個實驗中，一個氚核從另一個中捕獲兩個中子，成為一個帶有一個質子和四個中子的核。氫-5的半衰期為9.1×10⁻²²秒，在此過程中，它會通過向外發射2個中子衰變為氚。

氫-6（⁶H）的半衰期是2.9×10⁻²²秒，氫-7（⁷H）的半衰期更短，隻有2.3×10⁻²³秒。它們都是利用對撞機獲得的短命核素。

氫的人造同位素會在瞬間衰變

我們通過三篇文章對氫以及氫的同位素進行了詳細的揭秘，相信你對它們已經有了初步了解。

氫是宇宙中分布最廣泛的一種基礎元素，它的原子核裡隻有一個質子，但通過核聚變，它可以生成宇宙中已發現的所有一百多種元素。

宇宙中氫離子雲是恒星的搖籃，當氫聚集在一起成為恒星，它産生的光為我們帶來能量。

氫幾乎可以與所有元素結合，它與氧氣的結合為我們帶來了水，與碳的結合為我們帶來了生命，從這個角度看，氫是真正的生命之源。

氫有非常豐富的形态，它的同位素氘和氚是非常好的核聚變原料。如果我們善加利用，核聚變發電可以産生無盡的能源，而如果我們将它制成氫彈，它也可以毀滅我們的家園。

我們要核聚變電站，不要氫彈

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