核素和同位素是不是一个概念()

混淆概念在开始讨论之前，我们需要明确这三个概念:元素、同位素和核素。

元素:

指一类物质，是原子核内质子数相同的一类原子的总称。因为质子带正电荷，相同元素的原子核都带相同数量的正电荷。

例如，氢的原子核中只有一个质子，氦中有两个质子，碳中有六个质子，铀中有多达92个质子。

氢在元素周期表中的位置氢在元素周期表中的位置

同位素:

指某种化学元素的变体，尽管质子数相同，但中子数不同，所以核子总数不同。这些核子数不同的原子是彼此的同位素。

例如碳-12、碳-13和碳-14是碳的三种同位素；铀-235和铀-238是彼此的同位素。

核素:

指一种特定的原子，其原子核中质子和中子的数量相同。

比如我们今天讨论的氢元素，它的原子核里只有一个质子；氢有三种天然同位素:氘、氘和氚。它们的原子核中只有一个质子，但中子数不同。氘、氘、氚互为同位素，都是核素。

氢的同位素氢的同位素不止三种。准确地说，氘、氚是氢的三种天然同位素。我们可以在自然界中找到它们。

氢的合成同位素有几种，如氢-4、氢-5、氢-6、氢-7等。这些核素在自然状态下是找不到的。都是科学家用对撞机轰击原子核制造的，寿命极短。我们将在接下来的章节中介绍它们。

我们知道，氢是元素年表中最轻的元素，因为它的原子核里只有一个质子。氢的原子序数为1，标准原子质量为1.008u但是，请注意:这里的氢主要是指氢的最重要的核素。由于它的丰度在氢的所有同位素中超过99.98%，所以我们通常直接称之为氢。其他同位素虽然只有一个质子，但都有中子，所以原子量不一样。有些核素，比如氢-7，原子量甚至超过锂。

氕（Protium）

它是宇宙中最多的核素，它的原子核是一个质子，所以我们把它写成H或氢-1。它的英文名是protium，但是因为氢的99.98%是protium，所以大部分时候人们直接叫它氢。中文的“皮”和“一瞥”是一样的。

氢的很多物理化学性质在之前的文章《元素之谜——氢》和《氢的奇怪形态》中已经有详细介绍，这里不再赘述。本文将集中讨论水稻的其他同位素。

氘（Deuterium）

与氘不同，它的原子核包含一个质子和一个中子。它的原子量是2，所以我们把它写成H，氢-2或者重氢。氘的英文名是dehydrogen，所以常缩写为d，氘在汉语中读作[dāo]，与“道”谐音。

地球上氘的丰度约为所有氢元素的0.0026-0.0184%，可想而知其含量非常少。尽管如此，地球上氢的总量非常大，所以氘的总含量也相当可观。与氢类似，氘通常以氧化物的形式存在于地球表面。海水中氘的含量约为氢的0.02%。如果将海水中的氘全部提取出来，我们将得到4万亿吨氘，这是一个极其惊人的数字！

所以问题是，我们需要氘做什么？

氘的作用大多与核有关，涉及核能发电和生产核武器原料。

氘是重氢。当氘和氧结合时，它是重水。重水无毒，但喝多了也不好。

与普通的“轻水”不同，由于氘的原子核中已经有了一个中子，所以再吸收这个中子就没那么容易了(还是会有吸收，后面会讲到)。我们知道，核电站中的反应堆都是核裂变反应堆，利用铀衰变产生的热量驱动汽轮机发电。由于铀在衰变过程中会释放出中子，如果中子的能量过高，一方面会引起不可控的连锁反应，同时又会跑出来造成放射性危害，所以我们需要将整个反应堆浸泡在水中，让水吸收中子的能量，使其减速。与普通轻水相比，重水的减速效果更好，反应堆对放射性原料浓度和设备的要求也更低。虽然重水很贵，但是因为其他方面的成本降低，从商业整体上来说更划算。

另一方面，重水反应堆为一些机构获得武器级钚提供了更大的可能性(具体原因将在介绍铀的文章中详细解释)。同时，虽然重水吸收中子的可能性较低，但一旦吸收了中子，就变成了氚，是制造核武器的重要原料之一。因此，与轻水反应堆相比，重水反应堆的核扩散风险更大。

氘本身就是很好的核聚变材料。

我们前面提到，氘相对容易从海水中获得，地球海水中氘的总量达到4万亿吨，这是一个极其庞大的数字。同时，科学家知道氘在太阳核心的P-P核聚变反应链中起着非常重要的作用。如果能利用地球上的氘进行核聚变发电，那将是取之不尽的能源。

氚(氚)自然界中氚的含量可以用“微量”来形容，因为只有能量极高(能量大于4.0MeV)的快中子才能与上层大气中的氮原子相互作用产生氚。氚的原子核中有一个质子和两个中子，原子量为3，所以也叫氢-3，通常可以用H或英文字母t来表示，读半个字，氚会读“川”。

氚是不稳定的，具有放射性，因为原子核中的中子数不等于质子数。每4500天，一半的氚衰变为氦-3。在这个过程中，中子衰变为质子。我们称氚的半衰期为12.32年，所以地球表面发现的氚非常少。

如前所述，重水反应堆中的氘可能吸收中子，被中子轰击后变成氚。事实上，世界上绝大多数的氚库存来自核反应堆。核能发电企业每年都会对反应堆的重水进行处理，已经俘获中子的重水就变成了超重水。我们可以从1000吨重水里分离出1公斤氚。

从重水中提取氚的效率不高。科学家还通过在反应堆周围放置金属锂-6或含锂陶瓷(包括Li₂TiO₃和Li₄SiO₄)并用高能中子轰击锂来获得氚。在核聚变实验装置中，科学家们还在托卡马克环周围铺设含锂瓷砖，以吸收中子和制备氚。

为什么需要氚？

氚是制造氢弹最重要的原料，也是生化工业中理想的放射性示踪剂。氚是未来受控核聚变发电中的清洁聚变燃料。

氢的人造同位素，氢-4 (h)

氢-4的原子核包含1个质子和3个中子。它的原子量为4，原子质量为4.026u，所以记为h，科学家用快速运动的氘子轰击氚，氚核从快速运动的氘子中俘获一个中子，从而成为h，氢-4极不稳定，向外发射一个中子就会衰变为氚，半衰期只有1.39× 10秒。

氢-5

氢-5的原子核中有1个质子和4个中子，原子量为5。它是由两个氚核相互轰击形成的。在这个实验中，一个氚核从另一个中俘获两个中子，成为一个有一个质子和四个中子的原子核。氢-5的半衰期为9.1× 10秒。在这个过程中，它将通过向外发射2个中子而衰变为氚。

氢-6 (h)的半衰期为2.9× 10秒，氢-7 (h)的半衰期更短，只有2.3× 10秒。都是对撞机得到的短命核素。

总结:我们已经通过三篇文章详细揭示了氢及其同位素。相信你对它们已经有了初步的了解。

氢是宇宙中分布最广的基本元素。它的原子核中只有一个质子，但通过核聚变，它可以生成宇宙中发现的所有一百多种元素。

宇宙中的氢离子云是恒星的摇篮。当氢聚集在一起成为恒星时，它产生的光给我们带来了能量。

氢可以和几乎所有的元素结合，它和氧的结合给我们带来水，它和碳的结合给我们带来生命。从这个角度来看，氢才是真正的生命之源。

氢的形态非常丰富，它的同位素氘和氚是非常好的核聚变材料。如果我们利用好它，核聚变可以产生无穷无尽的能量，如果我们把它做成氢弹，它也可以摧毁我们的家园。