الديوتيريوم

الديوتيريوم، الهيدروجين-2،²ح, ²ح

الديوتيريوم المتوهج في أنبوب تفريغ الغاز
عام
رمز	2 ساعة
الأسماء	الديوتيريوم، الهيدروجين-2، 2H ، 2H، H-2، الهيدروجين -2، D، 2H
البروتونات ( Z )	1
النيوترونات ( N )	1
بيانات النويدات
الوفرة الطبيعية	0.0156% (الأرض) [1]
نصف العمر ( t 1/2 )	مستقر
كتلة النظير	2.01410177811 [2] دا
يلف	1 +
الطاقة الزائدة	13 135 .720 ± 0.001 كيلو إلكترون فولت
طاقة الربط	2 224 .57 ± 0.20 كيلو إلكترون فولت
نظائر الهيدروجين جدول كامل للنويدات

الديوتيريوم ( هيدروجين-2 ، رمزه ^2H أو D ، والمعروف أيضًا باسم الهيدروجين الثقيل ) هو أحد نظيرين مستقرين للهيدروجين ؛ النظير الآخر هو البروتيوم، أو الهيدروجين-1، ^{1H . تحتوي} نواة الديوتيريوم ، المسماة ديوترون ، على بروتون واحد ونيوترون واحد ، في حين أن ^1H الأكثر شيوعًا لا يحتوي على نيوترونات. يوجد الديوتيريوم بوفرة طبيعية في محيطات الأرض بحوالي ذرة واحدة من الديوتيريوم في كل 6420 ذرة هيدروجين. وبالتالي، يشكل الديوتيريوم حوالي 0.0156% من حيث العدد (0.0312% من حيث الكتلة) من إجمالي الهيدروجين في المحيط:4.85 × 10 ¹³ طن من الديوتيريوم - بشكل أساسي على شكل HOD (أو ¹ HO ² H أو ¹ H ² HO) ونادرًا ما يكون على شكل D ₂ O (أو ² H ₂ O) - في1.4 × 10 ¹⁸ طن من الماء. وتتغير وفرة ^2H قليلاً من نوع من المياه الطبيعية إلى نوع آخر (انظر متوسط ​​مياه المحيطات القياسي في فيينا ).

يأتي اسم الديوتيريوم من الكلمة اليونانية deuteros ، والتي تعني "ثاني". ^{[3] [4]} اكتشف الكيميائي الأمريكي هارولد يوري الديوتيريوم في عام 1931. أنتج يوري وآخرون عينات من الماء الثقيل حيث كان تركيز ^{2H عاليًا. فاز يوري} بجائزة نوبل في عام 1934 لاكتشافه الديوتيريوم .

يتم تدمير الديوتيريوم في باطن النجوم بشكل أسرع من إنتاجه. ويعتقد أن العمليات الطبيعية الأخرى تنتج كمية ضئيلة فقط من الديوتيريوم. تم إنتاج كل الديوتيريوم الموجود في الطبيعة تقريبًا في الانفجار العظيم منذ 13.8 مليار سنة، حيث أن النسبة الأساسية أو البدائية ² H إلى ¹ H (≈26 ذرة من الديوتيريوم لكل 10 ⁶ ذرة هيدروجين) لها أصلها من ذلك الوقت. هذه هي النسبة الموجودة في الكواكب الغازية العملاقة، مثل كوكب المشتري. وجد تحليل نسب الديوتيريوم والبروتيوم ( ² H ¹ HR) في المذنبات نتائج مماثلة جدًا للنسبة المتوسطة في محيطات الأرض (156 ذرة من الديوتيريوم لكل 10 ⁶ ذرة هيدروجين). وهذا يعزز النظريات القائلة بأن الكثير من مياه محيطات الأرض من أصل مذنب. ^{[5] [6]} إن معدل 2H1 ^HR للمذنب ^67P /Churyumov–Gerasimenko ، كما تم قياسه بواسطة مسبار الفضاء Rosetta ، يبلغ حوالي ثلاثة أضعاف معدل الماء على الأرض. هذا الرقم هو الأعلى حتى الآن الذي تم قياسه في مذنب. ^{[7] وبالتالي ، فإن معدل} 2H1 HR لا يزال موضوعًا نشطًا للبحث في كل من علم الفلك وعلم المناخ.

غالبًا ما يتم تمثيل الديوتيريوم بالرمز الكيميائي D. نظرًا لأنه نظير للهيدروجين بعدد كتلة 2، فإنه يتم تمثيله أيضًا بـ ^2H . يسمح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية بكل من D و ² H، على الرغم من تفضيل 2H. ^{[ 8]} يتم استخدام رمز كيميائي مميز للراحة بسبب الاستخدام الشائع للنظير في العمليات العلمية المختلفة. أيضًا، يمنح فرق كتلته الكبير مع البروتيوم ( ^1H ) اختلافات كيميائية غير قابلة للإهمال مع مركبات ^1H . الديوتيريوم له كتلة 2H.2.014 102  دالتون ، أي ما يقرب من ضعف متوسط ​​الوزن الذري للهيدروجين1.007 947  دالتون ، أو ضعف كتلة البروتيوم1.007 825  دالتون . وتعتبر نسب أوزان النظائر داخل العناصر الكيميائية الأخرى غير ذات أهمية إلى حد كبير في هذا الصدد.

في ميكانيكا الكم ، تعتمد مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات على الكتلة المخفضة لنظام الإلكترون والنواة. بالنسبة لذرة الهيدروجين ، يُرى دور الكتلة المخفضة ببساطة في نموذج بور للذرة، حيث تظهر الكتلة المخفضة في حساب بسيط لثابت ريدبيرج ومعادلة ريدبيرج، ولكن تظهر الكتلة المخفضة أيضًا في معادلة شرودنجر ، ومعادلة ديراك لحساب مستويات الطاقة الذرية.

إن الكتلة المخفضة للنظام في هذه المعادلات قريبة من كتلة إلكترون واحد، ولكنها تختلف عنها بمقدار صغير يساوي تقريبًا نسبة كتلة الإلكترون إلى النواة. بالنسبة للهيدروجين العادي، تكون هذه الكمية حوالي1837/1836، أو 1.000545، وبالنسبة للديوتيريوم يكون أصغر من ذلك :3671/3670⁠ ، أو 1.0002725. وبالتالي تختلف طاقات خطوط الأطياف الإلكترونية لـ ² H و ¹ H بنسبة هذين الرقمين، والتي تبلغ 1.000272. تكون أطوال الموجات لجميع خطوط طيف الديوتيريوم أقصر من الخطوط المقابلة للهيدروجين الخفيف، بنسبة 0.0272%. في المراقبة الفلكية، يتوافق هذا مع تحول دوبلر الأزرق بنسبة 0.0272% من سرعة الضوء ، أو 81.6 كم/ثانية. ^[9]

تكون الاختلافات أكثر وضوحًا في التحليل الطيفي الاهتزازي مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والتحليل الطيفي رامان ، ^[10] وفي الأطياف الدورانية مثل التحليل الطيفي للميكروويف لأن الكتلة المخفضة للديوتيريوم أعلى بشكل ملحوظ من كتلة البروتيوم. في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، يكون للديوتيريوم تردد رنين مغناطيسي نووي مختلف تمامًا (على سبيل المثال 61 ميجا هرتز عندما يكون البروتيوم عند 400 ميجا هرتز) وهو أقل حساسية بكثير. تُستخدم المذيبات المضاف إليها الديوتيريوم عادةً في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي للبروتيوم لمنع المذيب من التداخل مع الإشارة، على الرغم من إمكانية استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي للديوتيريوم بمفرده أيضًا.

يُعتقد أن الديوتيريوم لعب دورًا مهمًا في تحديد عدد ونسب العناصر التي تشكلت في الانفجار العظيم . من خلال الجمع بين الديناميكا الحرارية والتغيرات التي أحدثها التوسع الكوني، يمكن للمرء حساب نسبة البروتونات والنيوترونات بناءً على درجة الحرارة عند النقطة التي برد فيها الكون بدرجة كافية للسماح بتكوين النوى . يشير هذا الحساب إلى سبعة بروتونات لكل نيوترون في بداية التولد النووي ، وهي نسبة ستظل مستقرة حتى بعد انتهاء التولد النووي. كان هذا الكسر لصالح البروتونات في البداية، وذلك في المقام الأول لأن الكتلة المنخفضة للبروتون فضلت إنتاجها. ومع توسع الكون، برد. النيوترونات والبروتونات الحرة أقل استقرارًا من نوى الهيليوم ، وكان للبروتونات والنيوترونات سبب قوي من حيث الطاقة لتكوين الهيليوم-4 . ومع ذلك، يتطلب تكوين الهيليوم-4 الخطوة الوسيطة لتكوين الديوتيريوم.

خلال جزء كبير من الدقائق القليلة التي أعقبت الانفجار العظيم والتي كان من الممكن أن يحدث خلالها التخليق النووي، كانت درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي بحيث كانت الطاقة المتوسطة لكل جسيم أكبر من طاقة ربط الديوتيريوم الضعيف الارتباط؛ وبالتالي، فإن أي ديوتيريوم تم تشكيله تم تدميره على الفور. يُعرف هذا الوضع باسم عنق زجاجة الديوتيريوم . أدى عنق الزجاجة إلى تأخير تكوين أي هيليوم-4 حتى أصبح الكون باردًا بدرجة كافية لتكوين الديوتيريوم (عند درجة حرارة تعادل حوالي 100  كيلو إلكترون فولت). في هذه المرحلة، كان هناك اندفاع مفاجئ لتكوين العناصر (أولًا الديوتيريوم، الذي اندمج على الفور مع الهيليوم). ومع ذلك، بعد ذلك بفترة وجيزة جدًا، بعد عشرين دقيقة من الانفجار العظيم، أصبح الكون باردًا جدًا بحيث لا يمكن حدوث أي اندماج نووي أو تخليق نووي آخر. في هذه المرحلة، كانت وفرة العناصر ثابتة تقريبًا، مع التغيير الوحيد وهو اضمحلال بعض المنتجات المشعة للتخليق النووي للانفجار العظيم (مثل التريتيوم ). ^[11] إن عنق زجاجة الديوتيريوم في تكوين الهيليوم، إلى جانب الافتقار إلى طرق مستقرة لاتحاد الهيليوم مع الهيدروجين أو مع نفسه (لا يوجد نواة مستقرة لها رقم كتلة 5 أو 8) يعني أن كمية ضئيلة من الكربون، أو أي عناصر أثقل من الكربون، تشكلت في الانفجار العظيم. وبالتالي تطلبت هذه العناصر تكوينها في النجوم. وفي الوقت نفسه، أدى فشل الكثير من التولد النووي أثناء الانفجار العظيم إلى ضمان وجود الكثير من الهيدروجين في الكون اللاحق المتاح لتكوين نجوم طويلة العمر، مثل الشمس.

_يوجد الديوتيريوم بكميات ضئيلة بشكل طبيعي على شكل غاز الديوتيريوم ( ^2H2 أو D2 ₎ ، ولكن معظم ذرات الديوتيريوم في الكون مرتبطة بـ ^1H ​​لتكوين غاز يسمى ديوتيريد الهيدروجين (HD أو ^1H2H ). ^{[12] وبالمثل، يحتوي الماء الطبيعي على} جزيئات ديوتيريوم، كلها تقريبًا على شكل ماء شبه ثقيل HDO مع ديوتيريوم واحد فقط.

إن وجود الديوتيريوم على الأرض، وفي أماكن أخرى من النظام الشمسي (كما أكدته المجسات الكوكبية)، وفي أطياف النجوم ، هو أيضًا من البيانات المهمة في علم الكونيات . يتفكك الديوتيريوم إلى بروتونات ونيوترونات بسبب إشعاع جاما الناتج عن الاندماج النووي العادي، ولا توجد عمليات طبيعية معروفة بخلاف التخليق النووي للانفجار العظيم والتي ربما أنتجت الديوتيريوم بأي قدر قريب من وفرته الطبيعية المرصودة. يتم إنتاج الديوتيريوم عن طريق الاضمحلال العنقودي النادر ، وامتصاص النيوترونات الطبيعية من حين لآخر بواسطة الهيدروجين الخفيف، لكن هذه مصادر تافهة. يُعتقد أن هناك القليل من الديوتيريوم في باطن الشمس والنجوم الأخرى، حيث تحدث تفاعلات الاندماج النووي التي تستهلك الديوتيريوم عند هذه درجات الحرارة بشكل أسرع بكثير من تفاعل البروتون-البروتون الذي ينتج الديوتيريوم. ومع ذلك، يستمر الديوتيريوم في الغلاف الجوي الخارجي للشمس بنفس التركيز تقريبًا كما هو الحال في كوكب المشتري، وربما لم يتغير هذا منذ نشأة النظام الشمسي. يبدو أن الوفرة الطبيعية لـ ^2H تشكل جزءًا مشابهًا جدًا للهيدروجين، أينما يوجد الهيدروجين، ما لم تكن هناك عمليات واضحة قيد العمل لتركيزه.

إن وجود الديوتيريوم بنسبة أولية منخفضة ولكن ثابتة في كل الهيدروجين هو حجة أخرى لصالح نظرية الانفجار العظيم على نظرية الحالة المستقرة للكون. من الصعب تفسير النسب المرصودة للهيدروجين إلى الهيليوم إلى الديوتيريوم في الكون إلا بنموذج الانفجار العظيم. يُقدَّر أن وفرة الديوتيريوم لم تتطور بشكل كبير منذ إنتاجها منذ حوالي 13.8 مليار سنة. ^[13] تُظهر قياسات الديوتيريوم المجري في درب التبانة من التحليل الطيفي فوق البنفسجي نسبة تصل إلى 23 ذرة من الديوتيريوم لكل مليون ذرة هيدروجين في سحب الغاز غير المضطربة، وهو أقل بنسبة 15٪ فقط من النسبة الأولية المقدرة بواسطة WMAP بحوالي 27 ذرة لكل مليون من الانفجار العظيم. تم تفسير هذا على أنه يعني أن الديوتيريوم قد تم تدميره في تكوين النجوم في مجرة ​​درب التبانة أقل مما كان متوقعًا، أو ربما تم تجديد الديوتيريوم من خلال سقوط كبير من الهيدروجين البدائي من خارج المجرة. ^[14] في الفضاء على بعد بضع مئات من السنين الضوئية من الشمس، تكون وفرة الديوتيريوم 15 ذرة فقط لكل مليون، ولكن من المفترض أن هذه القيمة تتأثر بالامتصاص التفاضلي للديوتيريوم على حبيبات غبار الكربون في الفضاء بين النجوم. ^[15]

تم قياس وفرة الديوتيريوم في الغلاف الجوي للمشتري مباشرة بواسطة مسبار الفضاء جاليليو حيث وجد أنها 26 ذرة لكل مليون ذرة هيدروجين. وجدت ملاحظات ISO-SWS 22 ذرة لكل مليون ذرة هيدروجين في المشتري. ^[16] ويُعتقد أن هذه الوفرة تمثل نسبة قريبة من نسبة النظام الشمسي البدائي. ^[6] وهذا حوالي 17٪ من النسبة الأرضية لـ 156 ذرة ديوتيريوم لكل مليون ذرة هيدروجين.

تم قياس أن أجسام المذنبات مثل المذنب هيل بوب ومذنب هالي تحتوي على المزيد من الديوتيريوم (حوالي 200 ذرة لكل مليون هيدروجين)، وهي نسب غنية فيما يتعلق بنسبة السديم البدائي المفترضة، ربما بسبب التسخين، والتي تشبه النسب الموجودة في مياه البحر على الأرض. يؤكد القياس الأخير لكميات الديوتيريوم البالغة 161 ذرة لكل مليون هيدروجين في المذنب 103P/هارتلي (جسم حزام كايبر السابق )، وهي نسبة تكاد تكون مطابقة لتلك الموجودة في محيطات الأرض (155.76 ± 0.1، ولكن في الواقع من 153 إلى 156 جزء في المليون)، على النظرية القائلة بأن مياه سطح الأرض قد تكون مستمدة إلى حد كبير من المذنبات. ^{[5] [6]} ومؤخرًا، فإن نسبة ² H ¹ HR لـ 67P/تشوريوموف-جيراسيمينكو كما تم قياسها بواسطة روزيتا هي حوالي ثلاثة أضعاف مياه الأرض. ^[7] وقد تسبب هذا في تجدد الاهتمام بالاقتراحات التي تفيد بأن مياه الأرض قد تكون جزئيًا من أصل كويكبي.

وقد لوحظ أيضًا أن الديوتيريوم يتركز فوق متوسط ​​الوفرة الشمسية في الكواكب الأرضية الأخرى، وخاصة المريخ والزهرة. ^[17]

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "الديوتيريوم" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( فبراير 2024 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

يتم إنتاج الديوتيريوم لأغراض صناعية وعلمية وعسكرية، عن طريق البدء بالماء العادي - جزء صغير منه عبارة عن ماء ثقيل يحدث بشكل طبيعي - ثم فصل الماء الثقيل عن طريق عملية كبريتيد جيردلر أو التقطير أو طرق أخرى. ^[18]

من الناحية النظرية، من الممكن إنتاج الديوتيريوم للمياه الثقيلة في مفاعل نووي، ولكن فصله عن الماء العادي هو أرخص عملية إنتاج بالجملة.

كانت شركة الطاقة الذرية الكندية المحدودة هي المورد الرئيسي للديوتيريوم في العالم حتى عام 1997، عندما تم إغلاق آخر محطة تعمل بالماء الثقيل. تستخدم كندا الماء الثقيل كمهدئ للنيوترونات لتشغيل تصميم مفاعل CANDU .

إن الهند هي من بين الدول الكبرى المنتجة للماء الثقيل. فجميع محطات الطاقة النووية في الهند، باستثناء واحدة، تعمل بالماء الثقيل المضغوط، وتستخدم اليورانيوم الطبيعي (أي غير المخصب). وتمتلك الهند ثمانية محطات للماء الثقيل، سبعة منها تعمل بالفعل. وتعتمد ستة محطات، خمسة منها تعمل بالفعل، على تبادل الديوتيريوم في غاز الأمونيا. أما المحطتان الأخريان فتستخرجان الديوتيريوم من الماء الطبيعي في عملية تستخدم غاز كبريتيد الهيدروجين تحت ضغط مرتفع.

في حين تتمتع الهند بالاكتفاء الذاتي في الماء الثقيل لاستخدامها الخاص، فإنها تصدر أيضاً الماء الثقيل المخصص للمفاعلات.

الصيغة: د ₂ أو²
₁ح
₂

• الكثافة: 0.180 كجم/م ³ عند درجة حرارة قياسية (0 درجة مئوية، 101325 باسكال).
• الوزن الذري: 2.0141017926 دالتون.
• متوسط ​​الوفرة في مياه المحيط (من VSMOW ) 155.76 ± 0.1 ذرة من الديوتيريوم لكل مليون ذرة من جميع نظائر الهيدروجين (حوالي ذرة واحدة في 6420)؛ أي حوالي 0.015% من جميع ذرات الهيدروجين (أي نظير)

البيانات عند حوالي 18 كلفن لـ ² H ₂ ( النقطة الثلاثية ):

• كثافة:
  • السائل: 162.4 كجم/م ³
  • الغاز: 0.452 كجم/م ³
  • _D2O المسال : 1105.2 كجم/م ³ عند درجة حرارة قياسية
• اللزوجة: 12.6 ميكروباسكال ثانية عند 300 كلفن (الطور الغازي)
• السعة الحرارية النوعية عند ضغط ثابت c _p :
  • الصلب: 2950 جول/(كجم·كلفن)
  • الغاز: 5200 جول/(كجم·كلفن)

بالمقارنة مع الهيدروجين في تركيبته الطبيعية على الأرض، فإن الديوتيريوم النقي ( 2H2 ⁾ له نقطة انصهار أعلى (18.72 كلفن مقابل 13.99 كلفن)، ونقطة غليان أعلى (23.64 مقابل 20.27 كلفن)، ودرجة حرارة حرجة أعلى ₍ 38.3 مقابل 32.94 كلفن) وضغط حرج أعلى (1.6496 مقابل 1.2858 ميجا باسكال). ^[19]

يمكن أن تظهر الخصائص الفيزيائية لمركبات الديوتيريوم تأثيرات نظيرية حركية كبيرة واختلافات أخرى في الخصائص الفيزيائية والكيميائية عن نظائر البروتيوم. على سبيل المثال، يكون 2H2O _أكثر لزوجة _من ^H2O العادي . [ 20 ^] هناك اختلافات في طاقة الرابطة وطولها لمركبات نظائر الهيدروجين الثقيلة مقارنة بالبروتيوم، والتي تكون أكبر من الاختلافات النظيرية في أي عنصر آخر. الروابط التي تنطوي على الديوتيريوم والتريتيوم أقوى إلى حد ما من الروابط المقابلة في البروتيوم، وهذه الاختلافات كافية للتسبب في تغييرات كبيرة في التفاعلات البيولوجية. تهتم شركات الأدوية بحقيقة أن إزالة ^2H من الكربون أصعب من إزالة ^1H . ^[21]

يمكن للديوتيريوم استبدال ^1H في جزيئات الماء لتكوين الماء الثقيل ( _2H2O ⁾ ، وهو أكثر كثافة من الماء العادي بنحو 10.6٪ (بحيث يغرق الجليد المصنوع منه في الماء العادي). الماء الثقيل سام قليلاً في الحيوانات حقيقية النواة ، حيث يؤدي استبدال 25٪ من ماء الجسم إلى حدوث مشاكل في انقسام الخلايا والعقم، ويؤدي استبدال 50٪ إلى الوفاة بمتلازمة السمية الخلوية (فشل نخاع العظم وفشل بطانة الجهاز الهضمي). ومع ذلك، يمكن للكائنات بدائية النواة البقاء على قيد الحياة والنمو في الماء الثقيل النقي، على الرغم من أنها تتطور ببطء. ^[22] وعلى الرغم من هذه السمية، فإن استهلاك الماء الثقيل في ظل الظروف العادية لا يشكل تهديدًا صحيًا للإنسان. وتشير التقديرات إلى أن الشخص الذي يزن 70 كجم (154 رطلاً) قد يشرب 4.8 لتر (1.3 جالون أمريكي) من الماء الثقيل دون عواقب وخيمة. ^[23] تُستخدم جرعات صغيرة من الماء الثقيل (بضعة جرامات عند البشر، تحتوي على كمية من الديوتيريوم مماثلة لتلك الموجودة عادة في الجسم) بشكل روتيني كمتتبعات أيضية غير ضارة عند البشر والحيوانات.

الديوترون له دوران مغزلي +1 (" حالة ثلاثية ") وبالتالي فهو بوزون . يختلف تردد الرنين المغناطيسي النووي للديوتيريوم بشكل كبير عن الهيدروجين العادي. كما يميز التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بسهولة العديد من المركبات الديوتيريومية، بسبب الاختلاف الكبير في تردد امتصاص الأشعة تحت الحمراء الذي يُرى في اهتزاز الرابطة الكيميائية التي تحتوي على الديوتيريوم، مقابل الهيدروجين الخفيف. يمكن أيضًا التمييز بين النظيرين المستقرين للهيدروجين باستخدام مطيافية الكتلة .

إن نوكليون الديوترون الثلاثي مرتبط بالكاد عند E _B =2.23 ميجا إلكترون فولت ، ولا توجد أي من حالات الطاقة الأعلى مرتبطة. الديوترون المفرد هو حالة افتراضية، مع طاقة ربط سلبية تبلغ~60 كيلو فولت . لا يوجد مثل هذا الجسيم المستقر، ولكن هذا الجسيم الافتراضي موجود بشكل مؤقت أثناء التشتت غير المرن بين النيوترون والبروتون، وهو ما يفسر المقطع العرضي غير المعتاد لتشتت النيوترون في البروتون. ^[24]

تسمى نواة الديوتيريوم بالديوترون ، ولها كتلة مقدارها2.013 553 212 544 (15) Da ‍ [ ^25] (أكثر بقليل من1.875 جيجا إلكترون فولت/ ^ثانية [ ^26] ).

نصف قطر شحنة الديوترون هو2.127 78 (27) × 10 ⁻¹⁵  م . ^[27]

كما هو الحال مع نصف قطر البروتون ، فإن القياسات باستخدام الديوتيريوم الميوني تنتج نتيجة أصغر:2.125 62 (78)  م . ^[28]

الديوتيريوم هو أحد النويدات الخمس المستقرة التي تحتوي على عدد فردي من البروتونات وعدد فردي من النيوترونات. ( ² H، ⁶ Li ، ¹⁰ B ، ¹⁴ N ، ^180m Ta ؛ النويدات المشعة طويلة العمر ⁴⁰ K ، ⁵⁰ V ، ¹³⁸ La ، ¹⁷⁶ Lu تحدث أيضًا بشكل طبيعي.) معظم النوى الفردية-الفردية غير مستقرة تجاه تحلل بيتا ، لأن منتجات التحلل زوجية-زوجية ، وبالتالي تكون مرتبطة بقوة أكبر، بسبب تأثيرات الاقتران النووي . ومع ذلك، يستفيد الديوتيريوم من اقتران بروتونه ونيوترونه بحالة دوران-1، مما يعطي جاذبية نووية أقوى؛ لا توجد حالة الدوران-1 المقابلة في نظام النيوترونين أو البروتونين، بسبب مبدأ استبعاد باولي الذي يتطلب أن يكون لأحد الجسيمين المتطابقين بنفس الدوران بعض الأرقام الكمومية المختلفة الأخرى، مثل الزخم الزاوي المداري . لكن الزخم الزاوي المداري لأي من الجسيمين يعطي طاقة ربط أقل للنظام، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى زيادة مسافة الجسيمات في التدرج الحاد للقوة النووية. وفي كلتا الحالتين، يتسبب هذا في عدم استقرار ثنائي البروتون وثنائي النيوترون .

يمكن تفكيك البروتون والنيوترون في الديوتيريوم من خلال تفاعلات التيار المحايد مع النيوترينوات . المقطع العرضي لهذا التفاعل كبير نسبيًا، وقد تم استخدام الديوتيريوم بنجاح كهدف للنيوترينو في تجربة مرصد نيوترينو سودبوري .

يحتوي الديوتيريوم ثنائي الذرة (D2 _أو 2H2 ^{) على} متزامرات دوران نووية أورثو وبارا مثل الهيدروجين ثنائي الذرة، ولكن مع _{اختلافات} في عدد ومستويات الدوران ، والتي تحدث لأن الديوترون هو بوزون بدوران نووي يساوي واحدًا. ^[29]

بسبب التشابه في الكتلة والخصائص النووية بين البروتون والنيوترون، يُعتبران أحيانًا نوعين متماثلين من نفس الجسم، وهو النوكليون . في حين أن البروتون فقط لديه شحنة كهربائية، إلا أن هذا غالبًا ما يكون مهملاً بسبب ضعف التفاعل الكهرومغناطيسي بالنسبة للتفاعل النووي القوي . يُعرف التماثل الذي يربط البروتون والنيوترون باسم الدوران المتساوي ويشار إليه بـ I (أو أحيانًا T ).

إن الدوران المتساوي هو تماثل SU(2) ، مثل الدوران العادي ، لذا فهو مشابه له تمامًا. يشكل البروتون والنيوترون، اللذان لهما دوران متساوي 1/2 ، ثنائيًا متساويًا (مشابهًا للدوران المتساوي )، حيث تكون الحالة "السفلى" (↓) نيوترونًا والحالة "العلوية" (↑) بروتونًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]} يمكن أن يكون زوج من النيوكليونات إما في حالة غير متماثلة من الدوران المتساوي تسمى المفردة ، أو في حالة متماثلة تسمى الثلاثية . من حيث الحالة "السفلية" والحالة "العلوية"، يكون المفرد هو

${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|{\uparrow \downarrow }\rangle -|{\downarrow \uparrow }\rangle {\Big )}.}$، والتي يمكن كتابتها أيضًا:${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\Big (}|pn\rangle -|np\rangle {\Big )}.}$

هذه نواة بها بروتون واحد ونيوترون واحد، أي نواة الديوتيريوم. الثلاثية هي

${\displaystyle \left({\begin{array}{ll}|{\uparrow \uparrow }\rangle \\{\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\uparrow \downarrow }\rangle +|{\downarrow \uparrow }\rangle )\\|{\downarrow \downarrow }\rangle \end{array}}\right)}$

وبالتالي، تتكون الذرة من ثلاثة أنواع من النوى، والتي من المفترض أن تكون متماثلة: نواة الديوتيريوم (في الواقع حالة مثارة للغاية منها)، ونواة بها بروتونين، ونواة بها نيوترونين. وهذه الحالات ليست مستقرة.

يجب أن تكون دالة الموجة للديوترون غير متماثلة إذا تم استخدام تمثيل الدوران المتساوي (نظرًا لأن البروتون والنيوترون ليسا جسيمين متطابقين، فلا يلزم أن تكون دالة الموجة غير متماثلة بشكل عام). وبصرف النظر عن الدوران المتساوي، فإن النيوكليونين لهما أيضًا توزيعات دورانية ومكانية لدالتهما الموجية. تكون الأخيرة متماثلة إذا كان الديوترون متماثلًا تحت التكافؤ (أي له تكافؤ "زوجي" أو "موجب")، وغير متماثلة إذا كان الديوترون غير متماثل تحت التكافؤ (أي له تكافؤ "فردي" أو "سلبي"). يتم تحديد التكافؤ بالكامل من خلال الزخم الزاوي المداري الكلي للنيوكليونين: إذا كان زوجيًا، فإن التكافؤ يكون زوجيًا (موجبًا)، وإذا كان فرديًا، فإن التكافؤ يكون فرديًا (سلبيًا).

الديوترون، كونه أحادي الدوران المتساوي، يكون غير متماثل في ظل تبادل النيوكليونات بسبب الدوران المتساوي، وبالتالي يجب أن يكون متماثلًا في ظل التبادل المزدوج للدوران والموقع. وبالتالي، يمكن أن يكون في أي من الحالتين المختلفتين التاليتين:

• دوران متماثل ومتماثل تحت التكافؤ. في هذه الحالة، سيؤدي تبادل النوكلونين إلى مضاعفة دالة موجة الديوتيريوم بمقدار (-1) من تبادل الدوران المتساوي، و(+1) من تبادل الدوران و(+1) من التكافؤ (تبادل الموقع)، بإجمالي (-1) حسب الحاجة لعدم التماثل.
• دوران غير متماثل وعكس متماثل تحت التكافؤ. في هذه الحالة، سيؤدي تبادل النوكلونين إلى مضاعفة دالة موجة الديوتيريوم بمقدار (-1) من تبادل الدوران المتساوي، و(-1) من تبادل الدوران و(-1) من التكافؤ (تبادل الموقع)، مرة أخرى للحصول على إجمالي (-1) حسب الحاجة لعدم التماثل.

في الحالة الأولى، يكون الديوترون ثلاثي الدوران، بحيث يكون مجموع دورانه s يساوي 1. كما أن له تكافؤًا متساويًا وبالتالي زخمًا زاويًا مداريًا متساويًا l . وكلما انخفض زخمه الزاوي المداري، انخفضت طاقته. وبالتالي، فإن أدنى حالة طاقة ممكنة لها s = 1 و l = 0 .

في الحالة الثانية، يكون الديوترون أحادي الدوران، بحيث يكون إجمالي دورانه s يساوي 0. كما أن له تكافؤًا فرديًا وبالتالي زخمًا زاويًا مداريًا فرديًا l . وبالتالي، فإن أدنى حالة طاقة ممكنة لها s = 0 و l = 1 .

نظرًا لأن s = 1 يعطي جاذبية نووية أقوى، فإن الحالة الأرضية للديوتيريوم تكون في الحالة s = 1 ، l = 0 .

تؤدي نفس الاعتبارات إلى الحالات المحتملة لثلاثية إيزوسبين لها s = 0 ، l = زوجي أو s = 1 ، l = فردي . وبالتالي، فإن حالة الطاقة الأدنى لها s = 1 ، l = 1 ، وهي أعلى من حالة إيزوسبين المفردة.

التحليل المقدم للتو تقريبي في الواقع فقط، وذلك لأن الدوران المتساوي ليس تماثلًا دقيقًا، والأهم من ذلك أن التفاعل النووي القوي بين النيوكليونين مرتبط بالزخم الزاوي في تفاعل الدوران المداري الذي يمزج بين حالات s و l المختلفة . وهذا يعني أن s و l ليسا ثابتين في الوقت (لا يتبادلان مع هاملتونيان )، وبمرور الوقت قد تصبح حالة مثل s = 1 و l = 0 حالة s = 1 و l = 2. لا يزال التكافؤ ثابتًا في الوقت، لذلك لا يختلطان مع حالات l الفردية (مثل s = 0 و l = 1 ). لذلك، فإن الحالة الكمومية للديوتيريوم هي تراكب (تركيبة خطية) للحالة s = 1 و l = 0 والحالة s = 1 و l = 2 ، على الرغم من أن المكون الأول أكبر بكثير. نظرًا لأن الزخم الزاوي الكلي j هو أيضًا عدد كمي جيد (وهو ثابت في الزمن)، فيجب أن يكون لكلا المكونين نفس j ، وبالتالي j = 1. هذا هو الدوران الكلي لنواة الديوتيريوم.

باختصار، نواة الديوتيريوم غير متماثلة من حيث الدوران المتساوي، ولها دوران 1 وحتى (+1). الزخم الزاوي النسبي لنوكليوناتها l غير محدد جيدًا، والديوتيرون عبارة عن تراكب يكون في الغالب l = 0 مع بعض l = 2 .

من أجل إيجاد عزم ثنائي القطب المغناطيسي للديوتيريوم نظريًا μ ، نستخدم صيغة عزم مغناطيسي نووي

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{j+1}}{\bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\bigr |}\,{ \vec {\mu }}\cdot {\vec {\jmath }}\,{\bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\bigr \rangle }}$

مع

${\displaystyle {\vec {\mu }}=g^{(l)}{\vec {l}}+g^{(s)}{\vec {s}}}$

g ^{( l )} و g ^{( s )} هما عاملان g للنوكليونات.

نظرًا لأن البروتون والنيوترون لهما قيم مختلفة لـ g ^{( l )} و g ^{( s )} ، فيجب فصل مساهماتهما. يحصل كل منهما على نصف الزخم الزاوي المداري للديوتيريوم ودورانه . يصل المرء إلى ${\displaystyle {\vec {l}}}$${\displaystyle {\vec {s}}}$

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{j+1}}{\Bigl \langle }(l,s),j,m_{j}{=}j\,{\Bigr |}\left({\frac {1}{2}}{\vec {l}}{g^{(l)}}_{p}+{\frac {1}{2}}{\vec {s}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})\right)\cdot {\vec {\jmath }}\,{\Bigl |}\,(l,s),j,m_{j}{=}j{\Bigr \rangle }}$

حيث تشير المؤشرات p و n إلى البروتون والنيوترون، و g ^(l) _n = 0 .

من خلال استخدام نفس الهويات كما هو الحال هنا واستخدام القيمة g ^(l) _p = 1 ، نحصل على النتيجة التالية، بوحدات المغنطون النووي μ _N

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{4(j+1)}}\left[({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n}){\big (}j(j+1)-l(l+1)+s(s+1){\big )}+{\big (}j(j+1)+l(l+1)-s(s+1){\big )}\right]}$

بالنسبة للحالة s = 1 و l = 0 ( j = 1 )، نحصل على

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{2}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})=0.879}$

بالنسبة للحالة s = 1 و l = 2 ( j = 1 )، نحصل على

${\displaystyle \mu =-{\frac {1}{4}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})+{\frac {3}{4}}=0.310}$

القيمة المقاسة لعزم ثنائي القطب المغناطيسي للديوتيريوم هي0.857  μ _N ، وهو ما يمثل 97.5% منقيمة 0.879  μ _N تم الحصول عليها ببساطة عن طريق إضافة لحظات البروتون والنيوترون. يشير هذا إلى أن حالة الديوتيريوم هي بالفعل تقريبًا جيدًا s = 1 ، l = 0 ، والتي تحدث مع دوران كلا النيوكليونين في نفس الاتجاه، ولكن يتم طرح لحظاتهما المغناطيسية بسبب اللحظة السلبية للنيوترون.

لكن الرقم التجريبي الأقل قليلاً من ذلك الناتج عن الإضافة البسيطة لعزم البروتون والنيوترون (السلبية) يظهر أن الديوتيريوم هو في الواقع مزيج خطي من الحالة s = 1 ، l = 0 في الغالب مع خليط طفيف من الحالة s = 1 ، l = 2 .

ثنائي القطب الكهربائي يساوي صفرًا كالعادة .

الرباعي الكهربائي المقاس للديوتيريوم هو0.2859  e · fm ² . في حين أن ترتيب المقدار معقول، نظرًا لأن نصف قطر الديوترون من رتبة 1 فمتومتر (انظر أدناه) وشحنته الكهربائية هي e، فإن النموذج أعلاه لا يكفي لحسابه. وبشكل أكثر تحديدًا، لا يحصل الرباعي الكهربائي على مساهمة من الحالة l = 0 (وهي الحالة السائدة) ويحصل على مساهمة من مصطلح يمزج بين الحالتين l = 0 و l = 2 ، لأن مشغل الرباعي الكهربائي لا يتنقل مع الزخم الزاوي .

المساهمة الأخيرة هي المهيمنة في غياب مساهمة نقية l = 0 ، ولكن لا يمكن حسابها دون معرفة الشكل المكاني الدقيق لدالة الموجة النيوكليونية داخل الديوتيريوم.

لا يمكن حساب عزم متعدد الأقطاب الكهربائية والمغناطيسية الأعلى باستخدام النموذج أعلاه، لأسباب مماثلة.

يستخدم الديوتيريوم في مفاعلات الانشطار المعتدلة بالماء الثقيل ، عادةً على شكل سائل ^2H2O ، لإبطاء النيوترونات دون امتصاص النيوترونات العالي للهيدروجين العادي. _[ ^30] هذا استخدام تجاري شائع لكميات أكبر من الديوتيريوم .

في مفاعلات الأبحاث ، يتم استخدام السائل ^2H 2 _في المصادر الباردة لتهدئة النيوترونات إلى طاقات منخفضة للغاية وأطوال موجية مناسبة لتجارب التشتت .

تجريبيًا، يعد الديوتيريوم أكثر النويدات شيوعًا المستخدمة في تصميمات مفاعلات الاندماج ، وخاصةً بالاشتراك مع التريتيوم ، بسبب معدل التفاعل الكبير (أو المقطع العرضي النووي ) والعائد العالي للطاقة لتفاعل الديوتيريوم-التريتيوم (DT). يوجد تفاعل اندماج 2H-3He ذو عائد أعلى، على الرغم من أن ^نقطة التعادل ^لـ 2H - 3He ^أعلى من ^تلك الخاصة بمعظم تفاعلات الاندماج الأخرى؛ جنبًا إلى جنب مع ندرة ^3He ، فإن هذا يجعله غير معقول كمصدر طاقة عملي، على الأقل حتى يتم إجراء اندماج DT والديوتيريوم-الديوتيريوم (DD) على نطاق تجاري. الاندماج النووي التجاري ليس تقنية مكتملة بعد.

يستخدم الديوتيريوم بشكل شائع في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للهيدروجين ( الرنين المغناطيسي النووي للبروتون ) بالطريقة التالية. يتطلب الرنين النووي المغناطيسي عادةً تحليل المركبات ذات الاهتمام كما تذوب في المحلول. ونظرًا لخصائص الدوران النووي للديوتيريوم التي تختلف عن الهيدروجين الخفيف الموجود عادةً في الجزيئات العضوية، فإن أطياف الرنين النووي المغناطيسي للهيدروجين/البروتيوم قابلة للتفاضل بشكل كبير عن أطياف الديوتيريوم، وفي الممارسة العملية لا "يُرى" الديوتيريوم بواسطة جهاز الرنين النووي المغناطيسي المضبوط على ^1H . لذلك تُستخدم المذيبات المزوَّدة بالديوتيريوم (بما في ذلك الماء الثقيل، ولكن أيضًا المركبات مثل الكلوروفورم المزوَّد بالديوتيريوم ، أو CDCl3 _أو C2HCl3 ⁾ _، بشكل روتيني في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي، للسماح فقط بقياس أطياف الهيدروجين الخفيف للمركب المطلوب، دون تداخل إشارة المذيب.

يمكن أيضًا استخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي للحصول على معلومات حول بيئة الديوترون في العينات المصبوغة بالنظائر ( الرنين المغناطيسي النووي للديوتيريوم ). على سبيل المثال، يمكن تحديد تكوين سلاسل الهيدروكربون في الطبقات الدهنية الثنائية باستخدام الرنين المغناطيسي النووي للديوتيريوم في الحالة الصلبة مع جزيئات الدهون المصبوغة بالديوتيريوم. ^[31]

تعتبر أطياف الرنين المغناطيسي النووي للديوتيريوم مفيدة بشكل خاص في الحالة الصلبة بسبب عزمها الرباعي الصغير نسبيًا مقارنة بتلك الموجودة في النوى الرباعية الأقطاب الأكبر مثل الكلور-35، على سبيل المثال.

غالبًا ما تُستخدم المركبات المضاف إليها الديوتيريوم (أي حيث يتم استبدال كل أو بعض ذرات الهيدروجين بالديوتيريوم) كمعايير داخلية في مطيافية الكتلة . ومثل الأنواع الأخرى المصنّفة نظائريًا ، تعمل هذه المعايير على تحسين الدقة ، بينما غالبًا ما تكون بتكلفة أقل بكثير من المعايير المصنّفة نظائريًا الأخرى. عادةً ما يتم تحضير الجزيئات المضاف إليها الديوتيريوم من خلال تفاعلات تبادل نظائر الهيدروجين. ^{[32] [33]}

في الكيمياء والكيمياء الحيوية والعلوم البيئية ، يستخدم الديوتيريوم كمتتبع نظيري مستقر غير مشع ، على سبيل المثال، في اختبار الماء المزدوج الوسم . في التفاعلات الكيميائية والمسارات الأيضية ، يتصرف الديوتيريوم بشكل مشابه إلى حد ما للهيدروجين العادي (مع بعض الاختلافات الكيميائية، كما هو مذكور). يمكن تمييزه عن الهيدروجين العادي بسهولة أكبر من خلال كتلته، باستخدام مطيافية الكتلة أو مطيافية الأشعة تحت الحمراء . يمكن اكتشاف الديوتيريوم بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء بالفيمتوثانية ، حيث يؤثر فرق الكتلة بشكل كبير على تردد الاهتزازات الجزيئية؛ توجد اهتزازات رابطة الكربون ^-2 H في مناطق طيفية خالية من الإشارات الأخرى.

إن قياسات الاختلافات الصغيرة في الوفرة الطبيعية للديوتيريوم، إلى جانب تلك الخاصة بنظائر الأكسجين الثقيلة المستقرة ^17O و ¹⁸ O، لها أهمية في علم المياه ، لتتبع الأصل الجغرافي لمياه الأرض. إن النظائر الثقيلة للهيدروجين والأكسجين في مياه الأمطار ( مياه النيزك ) تزداد ثراءً كدالة لدرجة الحرارة البيئية للمنطقة التي تهطل فيها الأمطار (وبالتالي فإن الإثراء مرتبط بخط العرض). إن الإثراء النسبي للنظائر الثقيلة في مياه الأمطار (كما يشار إليها بمياه المحيط المتوسطة)، عند رسمه مقابل درجة الحرارة، ينخفض ​​بشكل متوقع على طول خط يسمى خط المياه النيزكية العالمي (GMWL). يسمح هذا الرسم البياني بتحديد عينات من المياه التي نشأت بسبب الأمطار جنبًا إلى جنب مع معلومات عامة عن المناخ الذي نشأت فيه. كما تعمل العمليات التبخيرية وغيرها من العمليات في المسطحات المائية، وكذلك عمليات المياه الجوفية، على تغيير نسب نظائر الهيدروجين والأكسجين الثقيلة في المياه العذبة والمالحة بشكل تفاضلي، بطرق مميزة ومميزة إقليميًا في كثير من الأحيان. ^[34] عادة ما يتم الإشارة إلى نسبة تركيز ² H إلى ¹ H بدلتا مثل δ ² H ويتم رسم الأنماط الجغرافية لهذه القيم في خرائط تسمى isoscapes. يتم دمج النظائر المستقرة في النباتات والحيوانات ويمكن أن يساعد تحليل النسب في الطيور المهاجرة أو الحشرات في اقتراح دليل تقريبي لأصولها. ^{[35] [36]}

تستفيد تقنيات تشتت النيوترونات بشكل خاص من توافر العينات المحتوي على الديوتيريوم: فالمقطع العرضي لـ ^1H و ² H متميز للغاية ومختلف في الإشارة، مما يسمح بتباين التباين في مثل هذه التجارب. علاوة على ذلك، فإن المشكلة المزعجة للهيدروجين العادي هي المقطع العرضي النيوتروني غير المتماسك الكبير، والذي يكون صفرًا لـ ^2H . وبالتالي فإن استبدال الديوتيريوم بالهيدروجين العادي يقلل من ضوضاء التشتت.

الهيدروجين هو عنصر مهم وأساسي في جميع مواد الكيمياء العضوية وعلوم الحياة، لكنه يتفاعل بالكاد مع الأشعة السينية. نظرًا لأن ذرات الهيدروجين (بما في ذلك الديوتيريوم) تتفاعل بقوة مع النيوترونات؛ فإن تقنيات تشتت النيوترونات، جنبًا إلى جنب مع مرفق الديوتيريوم الحديث، ^[37] تملأ مكانة في العديد من الدراسات حول الجزيئات الكبيرة في علم الأحياء والعديد من المجالات الأخرى.

انظر أدناه. تنتج معظم النجوم، بما في ذلك الشمس، الطاقة طوال معظم حياتها عن طريق دمج الهيدروجين في عناصر أثقل؛ ومع ذلك، لم ينجح مثل هذا الاندماج للهيدروجين الخفيف (البروتيوم) أبدًا في الظروف التي يمكن تحقيقها على الأرض. وبالتالي، فإن جميع الاندماجات الاصطناعية، بما في ذلك اندماج الهيدروجين في القنابل الهيدروجينية، تتطلب الهيدروجين الثقيل (الديوتيريوم أو التريتيوم أو كليهما).

الدواء المحتوي على الديوتيريوم هو منتج دوائي جزيئي صغير تم فيه استبدال ذرة هيدروجين واحدة أو أكثر في جزيء الدواء بالديوتيريوم. وبسبب التأثير النظيري الحركي ، قد يكون للأدوية المحتوية على الديوتيريوم معدلات أيض أقل بكثير ، وبالتالي عمر نصف أطول . ^{[38] [39] [40]} في عام 2017، أصبح الديوتيترابينازين أول دواء محتوي على الديوتيريوم يحصل على موافقة إدارة الغذاء والدواء. ^[41]

يمكن استخدام الديوتيريوم لتعزيز روابط C–H المحددة المعرضة للأكسدة داخل العناصر الغذائية الأساسية أو الأساسية المشروطة ، ^[42] مثل بعض الأحماض الأمينية ، أو الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة (PUFA)، مما يجعلها أكثر مقاومة للتلف التأكسدي. تعمل الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة المنزوعة الديوتيريوم ، مثل حمض اللينوليك ، على إبطاء التفاعل المتسلسل لأكسدة الدهون التي تلحق الضرر بالخلايا الحية. ^{[43] [44]} يخضع إستر الإيثيل المنزوع الديوتيريوم لحمض اللينوليك ( RT001 )، الذي طورته شركة Retrotope، لتجربة استخدام رحيم في خلل التنسج العصبي المحوري عند الأطفال وقد أكمل بنجاح تجربة المرحلة الأولى/الثانية في ترنح فريدريك . ^{[45] [41]}

يمكن تثبيت اللقاحات الحية، مثل لقاح شلل الأطفال الفموي ، بالديوتيريوم، إما بمفرده أو بالاشتراك مع مثبتات أخرى مثل MgCl _2. ^[46 ]

لقد ثبت أن الديوتيريوم يعمل على إطالة فترة تذبذب الساعة البيولوجية عند تناوله بجرعات في الفئران والهامستر والديناصورات . ^{[47] [48] [ 49] [50]} في الفئران، يؤدي تناول 25% 2H 2O بشكل مزمن ^إلى تعطيل الإيقاع اليومي عن طريق إطالة الفترة اليومية للإيقاعات المعتمدة _على النواة فوق التصالب البصري في منطقة تحت المهاد في الدماغ. ^[49] كما تدعم التجارب التي أجريت على الهامستر النظرية القائلة بأن الديوتيريوم يعمل بشكل مباشر على النواة فوق التصالب البصري لإطالة الفترة اليومية الحرة. ^[51]

كان وجود نظائر غير مشعة للعناصر الأخف وزناً مشتبهاً به في دراسات أجريت على النيون في وقت مبكر من عام 1913، ^{[ بحاجة لمصدر ]} وتم إثباته بواسطة مطياف الكتلة للعناصر الخفيفة في عام 1920. ^{[ بحاجة لمصدر ]} في ذلك الوقت لم يتم اكتشاف النيوترون بعد، وكانت النظرية السائدة هي أن نظائر العنصر تختلف بوجود بروتونات إضافية في النواة مصحوبة بعدد متساوٍ من الإلكترونات النووية . في هذه النظرية، تحتوي نواة الديوتيريوم ذات الكتلة 2 والشحنة 1 على بروتونين وإلكترون نووي واحد. ومع ذلك، كان من المتوقع أن يكون عنصر الهيدروجين ذو الكتلة الذرية المتوسطة المقاسة قريبًا جدًا من1 دالتون ، الكتلة المعروفة للبروتون، تحتوي دائمًا على نواة مكونة من بروتون واحد (جسيم معروف)، ولا يمكن أن تحتوي على بروتون ثانٍ. وبالتالي، كان يُعتقد أن الهيدروجين لا يحتوي على نظائر ثقيلة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تم اكتشافه لأول مرة باستخدام التحليل الطيفي في أواخر عام 1931 بواسطة هارولد يوري ، وهو كيميائي في جامعة كولومبيا . قام زميل يوري، فرديناند بريكويد ، بتقطير خمسة لترات من الهيدروجين السائل المنتج بالتبريد العميق لاستخراجه.1  مل من السائل، باستخدام مختبر الفيزياء منخفضة الحرارة الذي تم إنشاؤه مؤخرًا في المكتب الوطني للمعايير (الآن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ) في واشنطن العاصمة. كانت هذه التقنية تُستخدم سابقًا لعزل النظائر الثقيلة للنيون. ركزت تقنية الغليان بالتبريد العميق جزء النظير ذي الكتلة 2 للهيدروجين إلى درجة جعلت التعرف الطيفي عليه لا لبس فيه. ^{[52] [53]}

ابتكر يوري أسماء البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم في مقال نُشر عام 1934. ويستند الاسم جزئيًا إلى نصيحة من جيلبرت ن. لويس الذي اقترح اسم "الديوتيوم". يأتي الاسم من الكلمة اليونانية deuteros " ثاني"، وكان من المقرر أن يُطلق على النواة اسم "ديوترون" أو "ديوتون". كان يُطلق على النظائر والعناصر الجديدة تقليديًا الاسم الذي يقرره مكتشفها. أراد بعض العلماء البريطانيين، مثل إرنست رذرفورد ، تسمية النظير "ديبلوجين"، من الكلمة اليونانية diploos "مزدوج"، وتسمية النواة "ديبلون". ^{[4] [54]}

كانت الكمية المستنتجة للوفرة الطبيعية للديوتيريوم صغيرة جدًا (حوالي ذرة واحدة فقط في 6400 ذرة هيدروجين في مياه البحر [156 جزءًا في المليون]) لدرجة أنها لم تؤثر بشكل ملحوظ على القياسات السابقة للكتلة الذرية للهيدروجين (المتوسطة). وهذا يفسر سبب عدم الشك فيها من قبل. تمكن يوري من تركيز الماء لإظهار التخصيب الجزئي للديوتيريوم. قام لويس ، مستشار يوري في بيركلي ، بإعداد ووصف العينات الأولى من الماء الثقيل النقي في عام 1933. كان اكتشاف الديوتيريوم ، الذي جاء قبل اكتشاف النيوترون في عام 1932 ، بمثابة صدمة تجريبية للنظرية ؛ ولكن عندما تم الإبلاغ عن النيوترون ، مما جعل وجود الديوتيريوم أكثر قابلية للتفسير ، حصل يوري على جائزة نوبل في الكيمياء بعد ثلاث سنوات فقط من عزل النظير. كان لويس محبطًا بشدة من قرار لجنة نوبل في عام 1934، ويعتقد العديد من كبار المسؤولين في بيركلي أن هذا الإحباط لعب دورًا محوريًا في انتحاره بعد عقد من الزمان. ^{[55] [56] [57] [4]}

قبل وقت قصير من الحرب، نقل هانز فون هالبان ولوي كوفارسكي أبحاثهما حول تعديل النيوترون من فرنسا إلى بريطانيا، وقاما بتهريب كامل الإمدادات العالمية من الماء الثقيل (الذي تم تصنيعه في النرويج) في ستة وعشرين برميلًا فولاذيًا. ^{[58] [59]}

خلال الحرب العالمية الثانية ، عُرف عن ألمانيا النازية أنها تجري تجارب باستخدام الماء الثقيل كوسيط لتصميم مفاعل نووي . وكانت مثل هذه التجارب مصدر قلق لأنها قد تسمح لهم بإنتاج البلوتونيوم للقنبلة الذرية . وفي النهاية، أدت إلى عملية الحلفاء المسماة " التخريب النرويجي بالماء الثقيل "، وكان الغرض منها تدمير منشأة فيمورك لإنتاج/تخصيب الديوتيريوم في النرويج. وفي ذلك الوقت، كان هذا يعتبر مهمًا للتقدم المحتمل للحرب.

بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية، اكتشف الحلفاء أن ألمانيا لم تبذل نفس القدر من الجهد الجاد في البرنامج كما كان يُعتقد سابقًا. فقد أكمل الألمان مفاعلًا تجريبيًا صغيرًا تم بناؤه جزئيًا (تم إخفاؤه) ولم يتمكنوا من الحفاظ على تفاعل متسلسل. وبحلول نهاية الحرب، لم يكن لدى الألمان حتى خمس كمية الماء الثقيل اللازمة لتشغيل المفاعل، ^{[ بحاجة لتوضيح ]} جزئيًا بسبب عملية التخريب بالماء الثقيل النرويجية. ومع ذلك، حتى لو نجح الألمان في تشغيل المفاعل (كما فعلت الولايات المتحدة مع شيكاغو بايل-1 في أواخر عام 1942)، فإنهم ما زالوا على بعد عدة سنوات على الأقل من تطوير قنبلة ذرية . تتطلب عملية الهندسة، حتى مع أقصى جهد وتمويل، حوالي عامين ونصف (من أول مفاعل حرج إلى القنبلة) في كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي ، على سبيل المثال.

كانت قنبلة آيفي مايك التي يبلغ وزنها 62 طنًا والتي بنتها الولايات المتحدة وانفجرت في 1 نوفمبر 1952، أول " قنبلة هيدروجينية " ناجحة تمامًا (قنبلة نووية حرارية). في هذا السياق، كانت أول قنبلة تأتي معظم الطاقة المنبعثة منها من مراحل التفاعل النووي التي تلت مرحلة الانشطار النووي الأولية للقنبلة الذرية . كانت قنبلة آيفي مايك عبارة عن مبنى يشبه المصنع، وليس سلاحًا قابلًا للتسليم. في وسطها، يوجد قارورة فراغ أسطوانية كبيرة جدًا معزولة أو مبرد ، تحتوي على الديوتيريوم السائل المبرد بحجم حوالي 1000 لتر (160 كيلوغرامًا في الكتلة، إذا تم ملء هذا الحجم بالكامل). بعد ذلك، تم استخدام قنبلة ذرية تقليدية ("الأولية") في أحد طرفي القنبلة لخلق ظروف درجة الحرارة والضغط الشديدين اللازمين لبدء التفاعل النووي الحراري .

في غضون بضع سنوات، تم تطوير ما يسمى بالقنابل الهيدروجينية "الجافة" التي لم تكن بحاجة إلى الهيدروجين المبرد. تشير المعلومات التي تم نشرها إلى أن جميع الأسلحة النووية الحرارية التي تم بناؤها منذ ذلك الحين تحتوي على مركبات كيميائية من الديوتيريوم والليثيوم في مراحلها الثانوية. المادة التي تحتوي على الديوتيريوم هي في الغالب ديوتريد الليثيوم ، مع الليثيوم يتكون من نظير الليثيوم-6 . عندما يتم قصف الليثيوم-6 بالنيوترونات السريعة من القنبلة الذرية، يتم إنتاج التريتيوم (الهيدروجين-3)، ثم ينخرط الديوتيريوم والتريتيوم بسرعة في الاندماج النووي الحراري ، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة وفيرة، هيليوم-4 ، وحتى المزيد من النيوترونات الحرة. يُعتقد أن أسلحة الاندماج "النقية" مثل قنبلة القيصر قد عفا عليها الزمن. في معظم الأسلحة النووية الحرارية الحديثة ("المعززة")، يوفر الاندماج بشكل مباشر جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي الطاقة. يتسبب انشطار مفاعل اليورانيوم الطبيعي 238 بواسطة النيوترونات السريعة الناتجة عن اندماج الديتوكسين والتريبتان في إطلاق طاقة أكبر بكثير (أي معززة) من تفاعل الاندماج نفسه.

في أغسطس 2018، أعلن العلماء عن تحول الديوتيريوم الغازي إلى شكل معدني سائل . قد يساعد هذا الباحثين على فهم الكواكب الغازية العملاقة بشكل أفضل ، مثل المشتري وزحل وبعض الكواكب الخارجية ، حيث يُعتقد أن مثل هذه الكواكب تحتوي على الكثير من الهيدروجين المعدني السائل، والذي قد يكون مسؤولاً عن المجالات المغناطيسية القوية المرصودة لها . ^{[60] [61]}

المضاد الديوترون هو نظير المادة المضادة لنواة الديوتيريوم، ويتكون من مضاد بروتون ومضاد نيوترون . تم إنتاج المضاد الديوترون لأول مرة في عام 1965 في مسرع البروتونات في سيرن ^[62] ومسرع التدرج المتناوب في مختبر بروكهافن الوطني . ^[63] الذرة الكاملة، مع وجود بوزيترون يدور حول النواة، تسمى المضاد الديوتيريوم ، ولكن حتى عام 2019 ^[تحديث]لم يتم إنشاء المضاد الديوتيريوم بعد. الرمز المقترح للمضاد الديوتيريوم هو
د
، أي D مع شريط علوي. ^[64]

• نظائر الهيدروجين
• توكاماك

• "مركز البيانات النووية". KAERI .
• "قائمة المراجع الموضحة للديوتيريوم". ALSOS: المكتبة الرقمية للقضايا النووية . ليكسينغتون، فيرجينيا: جامعة واشنطن ولي . مؤرشف من الأصل في 5 مايو 2010. تم الاسترجاع في 26 نوفمبر 2019 .
• مولينز، جوستين (27 أبريل 2005). "الاندماج النووي على سطح المكتب". مجلة نيو ساينتست .
• لويد، روبن (21 أغسطس 2006). "العثور على غاز مفقود في مجرة ​​درب التبانة". Space.com .

ولاعة : هيدروجين-1	الديوتيريوم هو نظير للهيدروجين	أثقل: التريتيوم
ناتج تحلل : -	سلسلة تحلل الديوتيريوم	يتحلل إلى: مستقر