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氢同位素的性质及用途

作者:李晖, 谭君蕊  日期:2020-08-21 13:38:46 点击数:

氢的自然同位素一般是 3 种:氢(氕),氘和氚。然而,人工制造的氢同位素也至少有 3 种(表 1), 这些氢的同位素一般是由高能粒子轰击而得到,粒子轰击技术制备放射性同位素是 20 世纪物理学 的重要成就,也是人类认识原子结构的重要的手段,特别是周期表中新发现的重元素几乎都是人工 合成的。

人工合成元素的方法[2]包括三类:中子轰击法、氘核轰击法和铀裂变法。中子轰击法可借助 镭-铍源、回旋加速器或铀堆来产生中子,其中铀堆产生有效中子的速率最大,达 105 个中子每秒, 因此也是最常用的一种中子轰击源。氘核轰击法使用能对带电粒子进行加速的设备,如回旋加速器, 可以制备中子轰击法无法得到的同位素。而铀裂变法,虽然在 30Zn、63Eu 同位素的合成中有独到之 处,但由于铀在裂变过程中会产生巨大的能量,安全性问题较为突出,且可能产生系列副产物,故 其实际的常规应用仍受到限制。再具体到 4 H–6 H 的氢同位素的制备[3,4]:4 H 可通过反应 2 H(t, p)4 H (其 中,t 指 tritium,即氚,p 指 proton 或 protium,即质子或氕)或 3 H(t, d)4 H (其中,d 指 deuterium,即 氘)制得,实验中采用 58 MeV 氚核束轰击液态氘或氚,得到 4 H。5 H 可借助 6 He 束轰击液态 1 H 的过 程,获得 5 H 和两个中子,反应描述为 1 H(6 He, 2p)5 H; 6 H 则可以采用 82 MeV 的 7 Li 束进行撞击,通 过反应 7 Li(7 Li, 8 B)6 H 得到。不过,5 H 和 6 H 均不稳定,容易衰变为 3 T 和 2 个中子。以上反应涉及的 同位素,均可在大型加速器和碎片分离器实现合成与分离。通过介绍人工合成元素的方法,可以增 强学生对基础科学前沿领域的了解。从而使学生认识到:人类在认识物质微观世界的道路上一直在 不断深入。

氢同位素的性质及用途(图1)

氢同位素的性质与应用

氢同位素的性质与应用 我国化学教育中一般不涉及原子核稳定性与放射性的概念,因为总是强调化学反应中原子不会 变,只是化学键断裂,原子重组再生成化合物。但现代科学的快速发展与交融,已经无法严格区分 化学、核化学、核物理了。并且,核能已经成为本世纪新能源中的一种重要形式。 氢同位素的性质应补充放射性的基本概念[6],并强调这是一种自然界中存在的普遍现象,引入 “强核力”、原子核的稳定性、重核裂变,轻核聚变等概念,并适当介绍氢核聚变的优势与未来在 能源方面的应用前景。 氢同位素的应用领域众多,以下几个方面是较成熟并广泛应用的领域:

(1) 核能工业,这是氢同位素最重要的用途。氢的同位素氘和氚是轻热核聚变的材料,在一定的 条件下,氘和氚发生核聚合反应即核聚变,生成氦和中子,并发出大量的热。核聚变可释放出比核 裂变更大的能量,且不产生造成重大污染环境的废料(如二氧化碳、放射性废物等),符合“绿色化 学”的理念。如今,尽管核聚变领域已有许多成熟的技术,但可控核聚变[7,8],尤其是商用可控核聚 变,仍然是该技术得到广泛深入利用的一个重大壁垒。可控核聚变的难点在于,如何实现“输入大 于输出”?目前,磁约束核聚变是该领域中最受关注、投入最多的研究方向,磁约束聚变是利用特 殊形态的磁场,把处于热核反应状态下的氘、氚等轻原子核和自由电子组成的超高温等离子体约束 在有限的体积内,使等离子体可控地发生大量原子核聚变反应,以一种低密度、长时间的自持燃烧 释放能量。在磁约束核聚变装置中,托卡马克(Tokamak,名字来源于环形 toroidal,真空室 kamera, 磁 magnit 和线圈 kotushka)——在一个环形真空室中利用强的螺旋形磁场约束高温聚变等离子体的装 置——是最先进、最容易接近核聚变条件的。托卡马克装置利用变压器原理,通过在外加的极向场 线圈(主要是中心螺管)中改变电流,产生大环向的电场,从而击穿工作气体而产生等离子体,再基于 欧姆加热对其进一步加热,并驱动等离子体环向电流。然而,外加线圈的电流不可能无限大,这就 是托卡马克的极限所在,却也是研究工作的努力方向所在。为找到可以替代极向场线圈的电流变化 以驱动等离子体环向电流的手段,研究者们提出了两种方法:第一,利用等离子体自发产生的自举 电流(靴带电流,bootstrap current),这是一种环形等离子体特有的、与压力梯度密切相关的自发形成 的环形电流;第二,利用外部驱动的电流,如中性束和各种射频波,它们不但可以加热等离子体使 之达到聚变反应所需条件,还可以在托卡马克等离子体中驱动环向电流,维持极向磁场约束等离子 体,降低装置对极向场线圈能力的依赖。我国已正式参加了国际热核聚变实验堆(ITER)项目(建造一 个可自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆)的建设和研究(图 1),同时正在自主设计、研发中国聚变工 程试验堆(CFETR)。

 (2) 科学研究,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;氚与氢的放射性不同。这样 就可以深入研究示踪的分子的来龙去脉。比如,在定性监测方面,可利用激光拉曼光谱探测和分辨 同位素混合物、化合物,实现含有氢同位素气体的在线监 测和分析,通过分析反应物的物质变化过程,研究含有氢 同位素的气体相关的化学反应、气固反应的机理等。有报 道[9] (图 2)利用拉曼光谱、质谱等研究了 N2平衡系统中 T2O (T2O2)与 CO 的反应。首先往反应槽中加入 T2、O2 和 N2, 用拉曼光谱观察物质谱峰的变化,如图 2(a)可以看出,O2 第 36 天的强度比第 6 天的小了很多,而 T2 在第 36 天时峰 消失,表示 T2 已基本被完全氧化。再往反应槽中加入 CO 后,观察谱峰变化(图 2(b)),可得产物主要为 CO2 和 T2O。

 (3) 环境监测,例如利用氢同位素记录污水的历史,可 以监测污水排放。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。 

(4) 考古断代,随着稳定同位素研究的进展,利用氧、 氢同位素测定古地质沉积的年代已成为环境地球化学研究的前沿课题。从 20 世纪 60 年代开始,美 国及欧州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样,通过分析不同年龄冰样里的 氢同位素、氧同位素、痕量气体、二氧化碳、大气尘以及宇宙尘等,来确定当时(百年尺度)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。

转载自--大学化学 氢元素教学内容的重构   作者李晖, 谭君蕊 


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