摘要：氢作为自然界中常见的元素，拥有三种同位素，分别是氢-1（氕）、氢-2（氘）和氢-3（氚）。其中，氕是我们最为熟悉的氢，它由一个质子和一个电子构成，在自然界中以极高的相对丰度存在，高达 99.9844%。
氢作为自然界中常见的元素，拥有三种同位素，分别是氢-1（氕）、氢-2（氘）和氢-3（氚）。其中，氕是我们最为熟悉的氢，它由一个质子和一个电子构成，在自然界中以极高的相对丰度存在，高达 99.9844%。
而氘则比氕多了一个中子，其丰度约为 0.0156%。氚比氕多了两个中子，丰度更是低于 0.001%，通常被视为痕量。
说到氚，就不得不提及日本福岛核废水事件。在这一事件中，氚的含量成为了人们关注的焦点。
氚具有放射性，会发生β衰变，其半衰期为 12.43 年，衰变产物氦-3由于过轻会逸散到宇宙中。氚在自然界中极为稀少，通常认为是宇宙辐射与大气中的氢相互作用产生的，总量约为 7.3 千克。
然而，自核技术诞生以来，人类制造的氚已经超过了自然界存量的五倍。在福岛的百万吨核废水中，氕、氘、氚三者虽然在原子结构上有所不同，但它们的化学性质几乎没有差异。
三者与氧结合都能形成水，分别称为 H₂O、D₂O（重水）和 T₂O（超重水）。由于它们的性质相似，氚成为了核废水中最难以分离的物质。
重水的发现与制取是一个充满探索与创新的过程。1931 年，美国科学家哈罗德·克莱顿·尤里发现了氢的同位素氘，这一发现为后续重水的研究奠定了基础。
1933 年，尤里的导师吉尔伯特·牛顿·路易斯通过电解水的方法制得了 0.5 毫升纯度为 65.7%的重水。尤里早期制取重水的方法是通过电解水。
在电解过程中，阴极产生的氢气中轻同位素的比例较高，留在电解池中的水中氘的含量因此增加。电解法制重水的原理涉及动力学同位素效应。
尽管同位素的化学性质极为相似，但反应速率和平衡常数存在差异。这种反应速率的变化与核量子效应有关，简单来说，较重的同位素具有更低的振动频率，因此在大多数情况下需要更多的能量才能断裂化学键。
然而，天然水中的氘并不一定都以 D₂O 的形式存在，更可能以 HDO（半重水）的形式存在。在电解制重水的过程中，当 HDO 分子达到一定比例后，水分子之间会发生氢离子的交换，D₂O 的比例因此增加。重水在核反应中发挥着重要的作用。1938 年底，德国科学家发现中子轰击铀能够引发核裂变，而到 1939 年底，苏联科学家得出结论，重水和石墨是铀反应堆中唯一可行的缓和剂。
一个反应堆大约需要 15 吨重水。由于重水能够减缓链式核反应中产生的中子速度，它迅速成为各国争相获取的战略物资。
在 1940 年至二战期间，挪威的重水工厂被纳粹德国控制，几乎所有的重水都被其采购。为了阻止纳粹的核研究，盟军对重水工厂发动了一系列突袭破坏行动，尽管事后看来，即便挪威的重水工厂全力运转，也难以生产出足够的重水供反应堆使用。重水的性质和对生物体的影响也引起了人们的广泛关注。重水对生物体存在一定的毒性。
由于重水的氢键更强，许多依赖氢键的生化反应会受到影响。在高浓度重水环境下，植物会死亡；动物如小鼠、大鼠和狗，当体内 D₂O 达到 25%以上时会不育；鱼类在 90%以上的重水中会迅速死亡。
哺乳动物被投喂重水后约一周会死亡，此时其体内的水约有 50%被 D₂O 替换，原因是氘抑制细胞分裂。一般认为，人体内的水需要有 25%到 50%被替换为 D₂O 才可能产生毒性，这种情况在现实中几乎不可能发生。尽管重水存在潜在的毒性，但人们对饮用重水的好奇心却从未减少。为了探究重水的味道，人们进行了一系列的实验与研究。
YouTube 频道 Thunderf00t 的 Phil Mason 设计了一项简单的盲测实验。参与者品尝不同的水，每次仅三滴。
为了排除分子量差异的影响，他还使用了重氧水（由氢和氧 - 18 生成，分子量与重水相当）。结果显示，几乎所有参与者都能在普通水、重水和重氧水中迅速区分出重水。
在另一项由娜塔莉·本·阿布主导的实验中，28 名参与者中有 22 名在开鼻式味觉测试中准确辨别出重水。他们的反馈显示，纯重水的甜味显著但较轻微。
那么，重水产生甜味的原因是什么呢？研究表明，重水的甜味可能与人类特有的甜味受体 TAS1R2/TAS1R3 有关。进一步的实验通过作用于这些受体的甜味抑制剂证实了重水甜味的来源。
尽管实验尚未找到确切的作用机理，但可以确定这是由于核量子效应，D₂O 的氢键更强，使得蛋白质在 D₂O 中更为刚性和致密，这可能是我们感受到甜味的原因。
1934 年，乔治·赫维西（George Charles de Hevesy）从氘的发现者尤里那里获得了几升重水，尽管纯度仅为 0.6%。赫维西将这些重水饮下，目的是利用氘作为示踪剂研究人体对水的代谢，最终得出结论：水分子在人体内的平均停留时间为 13 ± 1.5 天。
赫维西因在示踪剂研究方面的贡献，获得了 1943 年的诺贝尔化学奖。赫维西的研究为人们对重水的认识和理解提供了重要的依据，也为后续的研究奠定了基础。
重水的研究不仅揭示了人类味觉的复杂性，也展现了科学研究的奇妙之处。从氢的同位素的发现，到重水的制取、应用以及对其性质和影响的研究，每一个环节都充满了挑战和机遇。
科学家们通过不断的探索和实验，逐渐揭开了重水的神秘面纱，为人类的科学知识宝库增添了宝贵的财富。
来源：东方周末