美国核化学家发现氢的同位素氘
哈罗德·克莱顿·尤里
1931年底，美国科学家哈罗德·克莱顿·尤里在蒸发了大量液体氢之后，利用光谱检测的方法发现了重氢（氘，D）。
在正式介绍尤里之前，先来谈谈我的「氢」家族。氢元素家族共有7个已知的「同位素」兄弟，其中有3个兄弟属于天然的「同位素」，分别是老大叫「氢」（H），老二叫「氘」（音「刀」，2H），老三氚（音「川」，3H）。另外4个同位素兄弟分别是4H、5H、6H和7H，都是在实验室里人工制造出来的，从来没有在自然界出现过，因为它们很不稳定，稍纵即逝。
氢的同位素三兄弟
其中老大「氢」原子含有一个带正电的质子和一个带负电的电子，老二我「氘」含有一个质子，一个中子和一个电子，因此有时又被称为「重氢」，我的元素符号写为D或2H。在大自然中，我「氘」的含量约为老大「氢」的七千分之一。老三「氚」则带有一个质子，两个中子和一个电子。「氚」的另一个名字叫「超重氢」，氚可是不好惹的，因为具有放射性。由此可见，在我们7个兄弟的「氢」大家族里，只有老大（氢）和老二我（氘）可以稳定存在于自然界里。
必须指出的是：由于氢的这三种较常见的同位素（氢、氘、氚）具有相同的电子层结构，即它们的原子核外都只有一个电子，因此这三种同位素的化学性质基本上相同。但由于它们的原子质量相差较大，导致它们的单一元素及所连带生成的化合物在物理性质上有所差异，而这种差异在其他元素的同位素中是不显著的。
我「氘」是1931年由美国科学家尤里在研究水的密度时，利用分光镜发现的。我「氘」是无色气体，无臭无味，比重2.0，而氢的比重只有1.0。我「氘」的化学性质有许多和氢相似，但不如普通氢活泼。可是我「氘」能形成很多与普通氢形成的相似的化合物，例如：可以与氧化合成重水（D2O），与氮化合成重氨（ND3）。其实，在一切所有含氢的化合物中，氢原子都可被我「氘」原子所取代。在未来的化学世界里，很可能会有「重氢化学」这一个科目的出现。
我「氘」大多以重水（即D2O）的形式存在于海水或普通水中，因此可经由高纯度重水的电解或液态氢的分馏而得；或重水与锌、铁、钙、铀等金属的反应而制得。
海水里我「氘」的质量浓度大约是30 mg/L，这样的量如果能经由核聚变，放出的能量相当于300公升汽油那么多。如果能够把地球上所有海水中的我「氘」（约为45亿公吨）全部通过核聚变转化为能源，按目前人类全年能源消费计算，可供使用几千亿年以上。
我「氘」常做为研究氢反应机构和氢移转现象的示踪原子，人工加速的我「氘」原子核（即由一个质子和一个中子组成的「氘核」）也参与许多核反应。
其实，严格来说，普通氢气是由老大「氢」和老二我「氘」所混合组成的。以分子式来说，自然界的氢气是由H2、HD和D2三种分子组成，最后一种（即D2）的存在量当然很少。自然界的水也是由老大「氢」和老二我「氘」所组成的：H2O、HDO和D2O。在电解水时，质量最轻的H2O比其他二种质量重的HDO和D2O的生成快上五、六倍，因此余下的水中多留了我「氘」。再继续电解多次后，就可得到几乎纯粹的重水。
前面曾提到：由氘（D）代替氢（H）结合的水就是重水（D2O）。因为D2O比H2O质量重，所以前者就叫重水。重水是一种无色液体，普通水（H2O）和重水都是由相同数量的氢和氧原子组成，因此两者的化学反应都相同，但在物性上却大不相同。在一个大气压力下，重水的冰点是摄氏3.82度（但普通水的冰点是摄氏零度），沸点是摄氏101.4度（普通水的沸点是摄氏100度），密度是1.1056 g∕cm3（普通水的密度是1.00 g/cm3）。
重水并不属于有毒物质，但是人体内的代谢只需要普通的水，如果只喝重水是会生病的。
以老鼠为试验品所做的实验就发现：重水能抑制细胞的有丝分裂，造成需要迅速代谢的身体组织变坏。实验中的老鼠连续数天只喝重水后，体内约一半的体液中的水分变成重水，这时症状开始出现，原本需要快速细胞分裂的组织，如发根及胃膜最先出现毛病，本来快速增长的癌细胞生长速度开始减慢，不过减慢的程度并不足以令重水做为可行的治疗方法。
使用核磁共振光谱仪分析化学物质时，若溶剂是水，而研究的溶质对象是氢，为了避免氢原子干扰测定，会改用重水做为溶剂。
媒体常提到的原子能核电站或原子弹制造，需要所谓的重水反应堆。这是因为核子反应炉必须使用重水来减慢中子的速度，让中子有机会与铀反应。因此在核分裂时有必要采用中子减速剂，重水是最好的减速剂，制造原子弹时就必须大量制造重水。
普通水虽也可以做为减速剂，但因为水会吸收中子，因此「水式反应炉」必须使用浓缩铀，而不能使用普通铀，否则不能达到铀的临界质量而使铀分裂并放出核能。重水反应炉不只可以使用普通铀，而且会把铀238转化成为可制作核弹的钸（Pu）。目前世界上有些国家（像印度、北韩、巴基斯坦、以色列等）都是以这样的方式制造核燃料。为了防止核子武器扩散，可以想见，重水的生产和出售在国际上都受到限制，无怪乎有人把重水的制造量视为判断该国是否在制备原子弹的重要依据。
另外，有一种水称为「半重水」（HDO），它含有一个氢原子、一个氧原子及一个氘原子。地球上的水大约有三千二百分之一是「半重水」。「半重水」可以透过电解及蒸馏，或以化学方法从普通水中提炼出来。除此之外，还有一种由「重氧原子」（O17和O18）组成的水分子，称为「重氧水」，因为一般的水（H2O）是由O16所组成的。由于分离出「重氧水」分子的难度较高，因此提炼纯正「重氧水」的成本比「重水」高。
我「氘」的存在对于细胞分裂的意义重大，D/H（氘／氢）比率的变化能引发细胞分裂。当病患饮用正常「氘」浓度的水时，D/H的比率能满足肿瘤细胞的分裂条件。而当人们通过饮用「低氘水」来降低体内D/H的比率时，原本适合肿瘤细胞分裂的环境便不复存在；或者说，要再次达到满足肿瘤细胞分裂所需的D∕H比率，需经过很长的时间恢复。因此，通过饮用「低氘水」可以剥夺肿瘤细胞分裂的适宜环境，进而达到抑制肿瘤的目的。
自然界的水中都含有我「氘」，约为150 ppm（也就是1百万份的H2O中，只含150份的D2O），换句话说：一般人喝的水中含有大约150 ppm的我「氘」。而科学研究发现：我「氘」与癌细胞的分裂有关。基本上，我「氘」对生命体的生存发展和繁衍有害。这个存在于水中的我「氘」 150 ppm，代表着：人体的体液中也含有150 ppm的我「氘」，这个浓度的环境有利于癌细胞的分裂。假设把水中的我「氘」拿出来（这很困难，需要高度的科技），形成含我「氘」量较少的水，这水就称「低氘水」。
其实，「低氘水」就是一般的水，只是我「氘」的存在量很少很少而已。 「低氘水」，是完全无毒无害的。一般正常的人也可以喝，只是很贵。「低氘水」可以用宝特瓶装，也可以加热，泡茶煮汤都无妨。「氢水」是在纯水中加入氢气，只能用玻璃瓶装，但不可以加热。但这两种水对健康都有帮助，尤其是「低氘水」更有益于生命体的生存和繁衍，对于人类的健康具有重要意义。
由于不可能从水中取出全部的氘，因此「低氘水」分为25 ppm、50 ppm、75 ppm、100 ppm等规格。如果癌症病人能长期喝「低氘水」，这位病人的体液中的我「氘」含量就会降低，这时低于150 ppm的体液就成为不利癌细胞分裂的环境，癌细胞因为难以分裂而逐渐死亡。的确如此，俄罗斯医学科学院癌症科研所与俄罗斯科学院医学生物问题研究所透过对动物的实验发现：长期饮用「氘」含量低的水可抑制动物恶性肿瘤的发展，并延长动物的寿命。
在制药工业中也开始研究应用我「氘」代替氢。我「氘」能提高药效，减少副作用，随着工农业、医药等领域的技术发展，我「氘」的用途会越来越广泛。
纯「氘」气是一种化学武器，科学家发现：当我「氘」浓度很高时，可以使人在几个小时内长出肿瘤。反之，浓度低的我「氘」可以让肿瘤停止分裂与生长。
对于物理学家而言，我「氘」原子核发现的重要性在于它是最简单的配对原子核，可做为射击物以进一步研究原子核内部。
我「氘」在核能上的应用，是像氢弹爆炸这种核聚变的反应。对人类来说，这种反应只能带给人们灾难，而把核聚变转化为核能才能真正造福人类。
要实现受控「热核反应」，先要把氘和燃料加热到非常高的温度使它们离解成离子，这种气体叫做「等离子体」。等离子体的温度越高，密度越大，「约束时间」（即维持高温的时间）越长，放出的能量就越多。当温度、密度等参数超过某一临界值时，放出的能量足以加热下一次添加的燃料，反应就可以持续下去，这就叫「点火」。
但用我「氘」做燃料，要求的点火温度非常高。而且在约束那么高温度的等离子体时，不容许等离子体和器壁相碰，否则等离子体温度会下降，容器也会被烧坏。用于受控「热核反应」的我「氘」应保持干净，极微量的杂质也会大大增加辐射损失而使等离子体冷下来。因此，制取高纯的我「氘」是非常必要的，也是进行核聚变研究、生产必不可少的。
简单来讲，「核融合」就是把我「氘」与「氚」经过融合变成质量较重的一些核子，在这个过程中就会产生巨大的能量。与核能发电不同的是，核能发电运用铀元素分裂时的热能来制造能源；而「核融合」运用元素加总的力量，让我「氘」和「氚」紧靠在一起来产生反应。
但是，因为我「氘」和「氚」本身都带有正电，所以必须运用极高温的环境让原子核变成电浆状态，使相斥的原子核可以互相依附在一起，而这项电浆技术正是核融合发电最难克服的技术之一。预计第一座商业用途的核融合电厂能在21世纪中实现，能够大幅纾解能源与环境问题。
但它已预示了我「氘」将成为一个重要的核燃料。据计算，由我「氘」和「氚」合成的一公斤「氦」约能放出1.2亿千瓦的能量。地球上目前世界能量消耗计算，可以足够供给200亿年的需要。「核融合」反应的和平利用虽还是一个远景，但其实我们每天看到又红又大、能量源源不绝的太阳，就是靠着核融合反应而发光发热的。另外，著名电影〈钢铁人〉飞行在空中的动力来源–胸前那颗会发亮的能源，就是利用核融合反应而产生能源的构想。
我「氘」自从被尤里博士发现以来，开始有人注意到我的存在，可是我「氘」多半被人们局限在与核能有关的运用上。虽是如此，依据我的特性，在未来日子里，我「氘」在人体健康医药的应用指日可待。
哈罗德·克莱顿·尤里
下面在介绍我的主人：哈罗德·克莱顿·尤里
哈罗德·克莱顿·尤里出生于美国印第安纳州的沃克顿，在他6岁的时候，在乡间当牧师的父亲去世了。后来，母亲改嫁，继父也是一位牧师，他帮助尤里完成了幼年的教育，1911年，他中学毕业，没有足够的学费，无法继续上大学，只好自己想办法。碰巧，乡下的一所学校缺少一名教师，尤里觉得去当一名教师既可以解决目前的生活问题，又可以筹集上大学的费用。于是他成了乡村学校的教师，一干就是3年。
1914年，尤里进了蒙大拿大学，开始他的专业是动物学，后来改读化学。上大学之后，困扰尤里的仍然是经济问题，为此，尤里的确伤透了脑筋。为了节约开支，他没有租公寓住，而是在学校的一处空地上自己搭了一个帐篷，在里面学习、生活。他还尽可能的利用假期到外面去做工以解决学费不足。
尤里毕业的时候，正值第一次世界大战期间，他先在费城一家化工厂找到了工作，当化学分析员。工作两年后，他又回到母校当起化学讲师。1921年，他进入加利福尼亚大学攻读博士学位，他的指导教师是路易斯。路易斯曾预言自然界存在着原子量是普通氢原子量两倍的氢的同位素，这一观点明显地影响了尤里，对他发现重氢起着推动作用。他的博士论文就是研究双原子气体性质的。他以优异的成绩取得了博士学位。1923年他得到美国——斯堪的那维亚基金学会奖学金的资助。
得到了奖学金后，去丹麦跟波尔教授专门研究原子结构理论。尤里回国以后，先在约翰·霍普金斯大学担任讲师。后到哥伦比亚大学担任化学系副教授，他在这里和别人合作，写了一本专著，书名是《原子、分子和量子》。这说明了尤里对于量子力学和热力学，以及核结构的成就，本来早已经达到相当高的水平了。
1931年，物理学家伯奇和天体物理学家门泽尔提出了有关氢同位素的假说。当时在美国哥伦比亚大学工作的尤里教授对这一假说非常感兴趣。因为他对这个问题已经思考过很长时间了，他认为，如果让液态氢在低温下蒸发，很可能使原子量为2的氢得到富集。
当年秋天，美国标准计量局的布里克维吉把蒸发了大量液态氢之后剩下的最后几滴氢装在容器里，送给尤里做实验。尤里得到这几立方毫米液氢。通过光谱分析，发现了一些新的谱线，它的位置正好与预期原子量为2的氢谱线一致，从而发现了重氢。根据尤里的建议，重氢被命名为氘，在希腊语中是“第二”的意思。
尤里从此以后，成为同位素化学方面公认的权威。经过他的研究，使同位素的分离开始有了化学方法。由于这种方法的成功，很多同位素才成为化学的、生物学的、地质学等方面的示踪物。
1934年，在尤里发现氘之后的第3年，他被授予诺贝尔化学奖。这一年他仅41岁。一个发现在短短的3年内就为科学所接受并授予诺贝尔奖，这种情况在历史上是不多见的。
尤里先后得到各国政府、学术团体和科学组织授予的三十多种奖章和奖品，美国一些大学授给他十六个荣誉博士学位，其他国家的大学也曾授予他九个荣誉学位。
在二次世界大战时，尤里利用同位素化学的丰富知识对最后战胜日本起了重大的作用。过去同位素的分离，只是在极小的范围内，用实验室的规模进行的。第二次世界大战期间，尤里领导了一批助手，使重水分离和铀同位素的大规模分离，得以实现，这一技术方面的成功，便第一批原子弹的生产，成为可能。
在尤里一生的最后十年中，他把很我精力放在反对原子武器的破坏作用上。他早就认为美国不可能独占核武器，他主张美国和苏联都应当减少原子武器，使世界长期和平可能达到。他在临终之前，还一再强调，原子能只能用于和平目的。
