书城科普读物南极北极哪里冷
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第29章 重水的沸点

你一定知道,水的密度为1g/cm3,在0℃结冰,100℃沸腾。但你是否听说过,自然界中还有另外一种水,它的密度为1.108g/cm3,3.7℃时就会结冰,加热到101.42℃才会沸腾?

你也许会感到惊异,真的有这种水吗?没错,确实有!因为它比普通的水重,科学家为它取了一个别名,叫做“重水”。

重水最早是由美国科学家尤里发现的。20世纪30年代初,人们已经知道自然界中每种元素都有一个同位素家族,它们具有相同的质子数,但中子数不同,在元素周期表中占据同一位置。

尤里想知道氢究竟有多少种同位素。他先把氢冷却到零下259℃,成为冰雪状的固态,然后让其缓慢挥发,最后剩下极少的一点没有挥发的物质。通过化学分析发现,剩下的物质是氢的一种同位素,普通的氢原子核中只有一个质子,没有中子,而这种氢原子核中则有一个质子和一个中子,因此它的质量是普通氢原子的两倍。它的液化点是零下249.5℃,也与常见的氢气不同,普通氢是零下252.8℃。

按照同位素的命名规则,应该叫它氢2.但尤里觉得它很特别,特意取名为“deuterium”,取意第二,汉译为“氚”。氚在自然界中含量很少,只是普通氢的1/7000.氚与氧也会结合成水分子,氧化氚就是重水,冰点和沸点都比普通水高,化学性质也与普通水不同。尤里因此获得1934年诺贝尔化学奖。

英国科学家卢瑟福等人利用粒子加速器让氚原子核加速后彼此对撞,制造出氢的另一种同位素,原子核中有一个质子和两个中子,质量是普通氢原子的3倍。他们将它取名为“tritium”,取意第三,汉译为“氚”。与氚、氚这两种氢同位素相对应时,把普通氢也就是原子核中只有一个质子没有中子的我们平时使用的水中的氢称为“氕”。氚在自然界中含量更少,只有当高能宇宙线撞击大气时才会产生零星几个氚原子,而且它还会逐渐衰变,最终变为氦。氚的液化点是零下248℃,它也会在一定条件下与氧结合成超重水,冰点为4.5℃。

科学家经过研究发现,尽管氚和氚都属于氢元素,但因为它们的原子核中含有中子,导致彼此之间的静电排斥力较小,在相对较低的温度下就可发生聚变反应,释放出巨大的能量。1g氚聚变时所释放的能量相当于1g铀235核裂变所释放能量的7倍,这也是为什么同样大小的氢弹要比原子弹威力大得多的原因。

后来人们发明了用电解水提取氚的方法,它比提炼铀235要容易得多。地球上的海水总量约为1万亿亿吨,每升水中含0.03g氚,就相当于有40万亿吨氚储量。氚可以利用反应堆的中子照射锂化物的方法来提取,地球上的锂储量虽比氚少得多,但也有2000多亿吨。这些物质足够人类使用数十亿年,而且安全、清洁,产生的放射性比核裂变小得多。特别是,人类又在月球上发现了大量的氚,氚的核聚变产能比氚还要易操作。因此,只要科学家攻克了可控核聚变反应技术难关,人类将一劳永逸地从根本上解决未来的能源需求。