중수소

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1. 개요

중수소(D 또는 ²H)는 수소의 안정 동위 원소로, 원자핵에 양성자 1개와 중성자 1개를 가지고 있다. 상온에서 무색, 무취의 기체이며, 일반 수소(경수소)보다 녹는점과 끓는점이 높다. 중수소 원자 2개가 결합한 분자(D₂)도 중수소로 불리며, 물을 전기 분해하거나 분별 증류, 교환 반응 등을 통해 얻을 수 있다. 핵융합 연료, 중성자 감속재, 동위체 효과 연구, NMR 용매 등으로 사용되며, 의약품 개발에도 활용된다. 1931년 해럴드 유레이에 의해 발견되었으며, 핵무기 개발에도 중요한 역할을 했다.

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중수소
일반 정보
다른 이름	수소-2 듀테륨
질량수	2
원소 기호	H 또는 D
중성자 수	1
양성자 수	1
존재 비율	0.015% (지구)
질량	2.01410178
스핀	1+
과잉 에너지	13135.720
과잉 에너지 오차	0.001
결합 에너지	2224.52
결합 에너지 오차	0.20
핵종 정보
핵종의 위치
안정성
반감기	안정

2. 성질 및 제법

중수소 원자 2개가 결합한 분자(D₂)도 중수소라고 부르며, 상온, 상압에서 무색, 무취의 기체이다. 중수소는 경수소보다 끓는점, 녹는점 등이 높고, 화학 반응성도 다르다. (Deuterium effect|중수소 효과^영어)

물을 전기분해하면 경수소가 더 쉽게 발생하므로 중수가 농축되며, 이 방법으로 고순도 중수를 제조할 수 있다. 이 외에도 분별 증류법, 교환 반응법 등으로 중수를 제조할 수 있다.^[62] 중수소 원자 2개를 핵융합시키면 막대한 에너지가 방출되며, 이는 항성 초기 핵융합 반응(D-D 반응)에 해당한다. 핵융합 발전이나 수소폭탄에는 중수소-삼중수소 핵융합 반응(D-T 반응)이 주로 이용된다.^[63]

2. 1. 화학적 성질

중수소는 종종 화학 기호 D로 표기된다. 질량수 2를 갖는 수소의 동위 원소이므로 ²H로도 표기된다. IUPAC는 D와 ²H를 모두 허용하지만 ²H를 선호한다.^[7] 이 동위 원소가 다양한 과학적 과정에서 널리 사용되기 때문에 편의상 별도의 화학 기호가 사용된다. 또한, 프로튬(¹H)과의 큰 질량 차이로 인해 ¹H 화합물과 무시할 수 없는 화학적 차이를 보인다. 중수소의 질량은 로, 평균 수소 원자량 의 약 두 배 또는 프로튬 질량 의 두 배이다. 다른 원소 내의 동위 원소 질량 비율은 이와 관련하여 크게 중요하지 않다.

2. 2. 분광학적 성질

양자역학에서 원자 내 전자의 에너지 준위는 전자와 핵의 계의 환산 질량에 따라 달라진다. 수소 원자의 경우, 환산 질량은 원자의 보어 모형에서 가장 간단하게 나타나는데, 리드베리 상수와 리드베리 방정식 계산에 나타나지만, 슈뢰딩거 방정식과 디랙 방정식에도 나타난다.^[8]

이러한 방정식에서 계의 환산 질량은 단일 전자의 질량에 가깝지만, 전자의 질량과 핵의 질량의 비율과 거의 같은 작은 양만큼 다르다. ¹H의 경우 이 값은 1.000545이고, ²H의 경우에는 1.0002725로 더 작다. 따라서 ²H와 ¹H에 대한 전자 스펙트럼 선의 에너지는 이 두 숫자의 비율인 1.000272만큼 다르다. 모든 중수소 분광선 파장은 대응하는 경수소의 선보다 0.0272% 짧다. 천문 관측에서 이것은 광속의 0.0272% 또는 81.6 km/s의 청색 도플러 이동에 해당한다.^[8]

적외선 분광법 및 라만 분광법과 같은 진동 분광법,^[9] 그리고 마이크로파 분광법과 같은 회전 스펙트럼에서는 프로튬의 환산 질량보다 중수소의 환산 질량이 현저히 높기 때문에 차이가 훨씬 더 두드러진다. 핵자기 공명 분광법에서 중수소는 매우 다른 NMR 주파수(예: 프로튬이 400 MHz일 때 61 MHz)를 가지며 훨씬 덜 민감하다. 중수소화 용매는 일반적으로 용매가 신호와 겹치는 것을 방지하기 위해 프로튬 NMR에 사용되지만, 자체적으로 중수소 NMR도 가능하다.

핵자기 공명 분광법은 동위 원소 표지 시료 (중수소 NMR)에서 중수소의 환경에 대한 정보를 얻는 데에도 사용할 수 있다. 예를 들어, 지질 이중층의 탄화수소 사슬의 배치는 중수소로 표지된 지질 분자를 사용하여 고체 상태 중수소 NMR로 정량화할 수 있다.^[28]

2. 3. 빅뱅 핵합성

중수소는 빅뱅에서 형성된 원소의 수와 비율을 결정하는 데 중요한 역할을 한 것으로 여겨진다. 열역학과 우주 팽창에 따른 변화를 결합하면, 우주가 원자핵 형성을 허용할 정도로 충분히 냉각된 시점의 온도를 기준으로 양성자와 중성자의 분율을 계산할 수 있다. 이 계산은 핵생성의 시작 시점에 중성자 1개당 양성자 7개의 비율을 나타내며, 이는 핵생성이 끝난 후에도 안정적으로 유지되는 비율이다. 이 분율은 초기에 양성자에게 유리했는데, 주로 양성자의 낮은 질량이 양성자 생성을 선호했기 때문이다. 우주가 팽창하면서 냉각되었다. 자유 중성자와 양성자는 헬륨 원자핵보다 덜 안정하며, 양성자와 중성자는 헬륨-4를 형성할 강력한 에너지적 이유를 가지고 있었다. 그러나 헬륨-4를 형성하려면 중수소 형성을 위한 중간 단계가 필요하다.

빅뱅 후 핵합성이 일어날 수 있었던 몇 분 동안, 온도가 너무 높아서 입자당 평균 에너지가 약하게 결합된 중수소의 결합 에너지보다 컸다. 따라서 형성된 중수소는 즉시 파괴되었다. 이 상황을 '''중수소 병목 현상'''이라고 한다. 이 병목 현상은 우주가 중수소를 형성할 만큼 충분히 냉각될 때까지(약 100 keV에 해당하는 온도에서) 헬륨-4의 형성을 지연시켰다. 이 시점에서 원소 형성이 갑자기 폭발적으로 일어났다(처음에는 중수소, 곧바로 헬륨으로 융합). 그러나 빅뱅 후 20분 만에 우주는 더 이상 핵융합이나 핵합성이 일어나기에는 너무 차가워졌다. 이 시점에서 원소의 풍부도는 거의 고정되었으며, 빅뱅 핵합성의 방사성 생성물(예: 삼중수소)의 붕괴가 유일한 변화였다.^[10] 헬륨 형성에서의 중수소 병목 현상은 헬륨이 수소 또는 자체와 결합할 수 있는 안정적인 방법이 없다는 사실(질량수가 5 또는 8인 안정적인 원자핵이 없음)과 함께 빅뱅에서 미미한 양의 탄소 또는 탄소보다 무거운 원소가 형성되었음을 의미했다. 따라서 이러한 원소들은 별에서 형성되어야 했다. 동시에, 빅뱅 동안 많은 핵생성이 실패하면서 이후 우주에서 태양과 같이 수명이 긴 별을 형성하는 데 사용할 수 있는 충분한 수소량이 확보되었다.

2. 4. 존재비

중수소는 자연에서 미량의 중수소 기체(D|D₂^영어)로 존재하지만, 대부분은 수소 원자(H|^영어)와 결합하여 중수소화 수소(HD)라는 기체를 형성한다.^[11] 중수소의 존재는 물리 우주론에서 중요한 데이터이며, 빅뱅을 지지하는 증거 중 하나이다. 우주에서 관찰된 수소, 헬륨, 중수소의 비율은 빅뱅 모델로만 설명 가능하다. 중수소의 풍부는 약 138억 년 전에 생성된 이후로 크게 변하지 않은 것으로 추정된다.^[12]

은하수에서 중수소는 방해받지 않은 가스 구름에서 100만 개의 수소 원자당 최대 23개 비율로 존재하는데, 이는 빅뱅에서 추정된 원시 비율(100만 개당 약 27개)보다 15% 적다.^[13] 목성 대기에서는 100만 개의 수소 원자당 26개 비율로 발견되었으며, 이는 지구(100만 개당 156개)의 약 17% 수준이다.

헤일-밥 혜성과 핼리 혜성 같은 혜성에서는 중수소가 더 많은 비율(100만 개당 약 200개)로 측정되었고, 103P/Hartley 혜성에서는 100만 개당 161개로 지구 해수와 거의 일치한다.^[4]^[5] 반면, 67P/추류모프-게라시멘코에서는 중수소 비율이 지구의 약 3배로 측정되었다.^[6] 화성과 금성에서도 중수소는 평균 태양 풍부도보다 높게 나타난다.^[16]

지구상에서 수소 원자와 중수소 원자의 비율은 수소가 99.985%, 중수소가 0.015%이다.

2. 5. 생산

중수는 걸들러 황화물 공정, 증류 등 다양한 방법으로 생산된다.^[17] 이론적으로는 중수를 위한 중수소를 원자로에서 만들 수 있지만, 일반 물에서 분리하는 것이 가장 저렴한 대량 생산 공정이다.

캐나다는 1997년 마지막 중수 공장이 폐쇄될 때까지 세계 최고의 중수 공급업체였으며, 중성자 감속재로 CANDU 원자로 설계를 사용하기 위해 중수를 사용했다.

인도는 중수의 또 다른 주요 생산국이다. 인도의 원자력 발전소는 한 곳을 제외하고 모두 가압 중수형 원자로이며, 이는 천연(즉, 농축되지 않은) 우라늄을 사용한다. 인도는 8개의 중수 공장을 보유하고 있으며, 이 중 7개가 가동 중이다. 6개의 공장(5개 가동)은 암모니아 가스에서 D-H 교환을 기반으로 하며, 다른 두 공장은 고압에서 황화 수소 가스를 사용하여 천연수에서 중수소를 추출한다.

인도는 자체 사용을 위한 중수 공급에 있어 자급자족하고 있으며, 원자로급 중수도 수출하고 있다.

2. 6. 물리적 성질

순수한 중수소( 또는 )는 경수소()보다 녹는점, 끓는점, 임계 온도, 임계 압력이 더 높다.^[18] 예를 들어, 중수소의 녹는점은 18.72 K으로, 경수소의 녹는점 13.99 K보다 높다. 끓는점 역시 중수소가 23.64 K로, 경수소의 20.27 K보다 높다. 중수()는 일반 물()보다 점성이 더 크다.^[19]

중수소 및 삼중수소를 포함하는 결합은 일반 수소 결합보다 약간 더 강하며, 이러한 차이는 생물학적 반응에 큰 변화를 일으킬 수 있다.^[20] 중수는 진핵생물에게 약간의 독성이 있지만, 소량 섭취는 인체에 건강 위험을 초래하지 않는다.^[22] 70kg의 사람은 심각한 결과 없이 4.8L의 중수를 마실 수 있다.^[22]

중수소와 경수소의 물리적 성질 비교
성질	중수소 ()	경수소 ()
녹는점	18.72 K	13.99 K
끓는점	23.64 K	20.27 K
임계 온도	38.3 K	32.94 K
임계 압력	1.6496 MPa	1.2858 MPa

2. 7. 양자적 성질

중수소 원자핵(듀테론)은 스핀 +1 (삼중항 상태)을 가지므로 보손이다. 중수소의 NMR 주파수는 일반적인 수소와 상당히 다르다. 또한 적외선 분광법은 중수소를 포함하는 화학 결합의 진동에서 보이는 IR 흡수 주파수의 큰 차이로 인해 많은 중수소화합물을 쉽게 구별한다. 수소의 두 안정 동위 원소는 질량 분석법을 사용하여 구별할 수도 있다.

삼중항 중수소 핵자는 에서 거의 결합되어 있으며, 더 높은 에너지 상태는 결합되어 있지 않다. 단일항 중수소는 가상 상태이며, 의 음의 결합 에너지를 갖는다. 이러한 안정적인 입자는 없지만 이 가상 입자는 중성자-양성자 비탄성 산란 중에 일시적으로 존재하며, 양성자의 비정상적으로 큰 중성자 산란 단면적을 설명한다.^[23]

2. 8. 핵적 성질

중수소의 핵은 '''중양자'''라고 불리며, 양성자 한 개와 중성자 한 개로 이루어져 있다. 중양자의 질량은 ^[24]이며, 전하 반경은 이다. 뮤온 중수소를 사용한 측정 결과는 이보다 약간 작은 값을 보인다.^[25]

중수소는 홀수 개의 양성자와 홀수 개의 중성자를 가진 안정한 핵종 중 하나이다. 중수소의 양성자와 중성자는 중성류 상호 작용을 통해 해리될 수 있으며, 이 반응의 단면적은 비교적 크다.

이원자 중수소 (D₂)는 오르토 및 파라 핵 스핀 이성질체를 가지는데, 이는 중수소가 핵 스핀이 1인 보손이기 때문이다.^[26]

2. 8. 1. 아이소스핀 단일항 상태

양성자와 중성자는 질량과 핵 성질이 유사하여 핵자라는 동일한 대상의 두 가지 대칭적인 유형으로 간주된다. 양성자는 전하를 띠지만, 전자기 상호작용은 강한 핵력에 비해 약해 무시된다. 양성자와 중성자를 연결하는 대칭성은 아이소스핀(I 또는 T)으로 알려져 있다.

아이소스핀은 SU(2) 대칭을 가지며, 이는 일반적인 스핀과 유사하다. 양성자와 중성자는 각각 아이소스핀 1/2을 가지며, 아이소스핀 이중항(스핀 이중항과 유사)을 형성한다. 여기서 "아래" 상태(↓)는 중성자, "위" 상태(↑)는 양성자이다.

핵자 쌍은 아이소스핀의 반대칭 상태인 싱글렛 또는 대칭 상태인 삼중항에 있을 수 있다. 싱글렛 상태는 다음과 같이 표현된다.

:

\frac{1}{\sqrt{2}}\Big( |{\uparrow\downarrow}\rangle - |{\downarrow\uparrow}\rangle\Big).

이는 양성자 하나와 중성자 하나로 구성된 중수소 핵을 나타낸다.

2. 8. 2. 중양자의 파동 함수

중수소 원자핵(deuteron)은 스핀 +1 (삼중항 상태)을 가지므로 보손이다. 중수소의 파동 함수는 아이소스핀 표현이 사용되는 경우 반대칭적이어야 한다. 아이소스핀 외에도 두 핵자는 스핀과 공간 분포를 가지고 있다. 중수소는 패리티 대칭이면 대칭이고, 패리티 반대칭이면 반대칭이다. 패리티는 두 핵자의 총 궤도 각운동량에 의해 결정된다.

중수소는 아이소스핀 단일항이므로, 핵자 교환에 대해 반대칭적이려면 스핀과 위치를 두 번 교환하는 것에 대해 대칭적이어야 한다. 따라서 다음 두 가지 상태 중 하나에 있을 수 있다.

대칭 스핀 및 패리티 대칭: 이 경우 두 핵자의 교환은 총 (−1)을 곱하여 반대칭성을 충족시킨다.
반대칭 스핀 및 패리티 반대칭: 이 경우에도 두 핵자의 교환은 총 (−1)을 곱하여 반대칭성을 충족시킨다.

첫 번째 경우 중수소는 스핀 삼중항이므로 총 스핀 ''s''는 1이다. 또한 짝수 패리티를 가지므로 짝수 궤도 각운동량 ''l''을 갖는다. 궤도 각운동량이 낮을수록 에너지가 낮아지므로, 가장 낮은 에너지 상태는 ''s''=1, ''l''=0이다.

두 번째 경우 중수소는 스핀 단일항이므로 총 스핀 ''s''는 0이다. 또한 홀수 패리티를 가지므로 홀수 궤도 각운동량 ''l''을 갖는다. 따라서 가장 낮은 에너지 상태는 ''s''=0, ''l''=1이다.

''s''=1은 더 강한 핵 인력을 제공하므로, 중수소의 바닥 상태는 ''s''=1, ''l''=0 상태에 있다.

강력한 핵력이 스핀-궤도 상호작용에서 각운동량과 관련되어 다른 ''s'' 및 ''l'' 상태를 혼합하기 때문에 ''s''와 ''l''은 시간에 따라 일정하지 않다. 패리티는 여전히 시간에 따라 일정하므로, 홀수 ''l'' 상태와는 혼합되지 않는다. 따라서 중수소의 양자 상태는 ''s''=1, ''l''=0 상태와 ''s''=1, ''l''=2 상태의 양자 중첩이며, 첫 번째 구성 요소가 훨씬 더 크다. 총 각운동량 ''j'' 역시 좋은 양자수이므로 두 구성 요소는 모두 동일한 ''j''를 가져야 하므로 j=1이 된다. 이것이 중수소 핵의 총 스핀이다.

요약하면, 중수소 핵은 아이소스핀 측면에서 반대칭적이며, 스핀 1과 짝수(+1) 패리티를 갖는다. 핵자의 상대 각운동량 ''l''은 잘 정의되지 않으며, 중수소는 대부분 ''l''=0과 약간의 ''l''=2의 중첩이다.

2. 8. 3. 자기 및 전기 다중극

중수소의 자기 쌍극자 모멘트 ''μ''는 이론적으로 다음 공식을 사용하여 구할 수 있다.

:

\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

여기서

:

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

''g''^(''l'')과 ''g''^(''s'')는 핵자의 ''g''-factor이다.

양성자와 중성자는 ''g''^(''l'')과 ''g''^(''s'')에 대해 서로 다른 값을 가지므로, 각각의 기여를 분리해야 한다. 각 핵자는 중수소 궤도 각운동량

\vec{l}

과 스핀

\vec{s}

의 절반을 얻는다. 다음을 얻는다.

:

\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

여기서 첨자 p와 n은 양성자와 중성자를 나타내며, ''g''^(l)_n = 0이다.

여기와 동일한 항등식을 사용하고 g^(l)_p = 1의 값을 사용하면, 핵 마그네톤 ''μ''_N 단위를 사용하여 다음 결과를 얻는다.

:

\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]

''s'' = 1, ''l'' = 0 상태(''j'' = 1)의 경우, 다음을 얻는다.

:

\mu = \frac{1}{2}({g^{(s)}}_p + {g^{(s)}}_n) = 0.879

''s'' = 1, ''l'' = 2 상태(''j'' = 1)의 경우, 다음을 얻는다.

:

\mu = -\frac{1}{4}({g^{(s)}}_p + {g^{(s)}}_n) + \frac{3}{4} = 0.310

중수소의 측정된 자기 쌍극자 모멘트 값은 0.857''μ''_N이며, 이는 양성자와 중성자의 모멘트를 단순히 더하여 얻은 0.879''μ''_N 값의 97.5%이다. 이것은 중수소의 상태가 실제로 ''s'' = 1, ''l'' = 0 상태에 가깝다는 것을 시사하며, 이 상태는 두 핵자가 같은 방향으로 회전하지만 중성자의 음의 모멘트 때문에 자기 모멘트가 서로 빼진다.

그러나 실험적인 값이 양성자와 (음의) 중성자 모멘트를 단순히 더한 결과보다 약간 낮다는 것은 중수소가 실제로 대부분 ''s'' = 1, ''l'' = 0 상태와 약간의 ''s'' = 1, ''l'' = 2 상태의 혼합으로 이루어져 있음을 보여준다.

전기 쌍극자는 평상시와 같이 0이다.

중수소의 측정된 전기 사중극자는 0.2859e·fm²이다. 중수소 반경이 1 펨토미터 정도이고 전하가 e이므로, 크기의 차수는 합리적이지만, 위의 모델로는 계산이 충분하지 않다. 좀 더 구체적으로, 전기 사중극자는 (지배적인) ''l'' = 0 상태로부터 기여를 받지 않으며, 전기 사중극자 연산자가 각운동량과 가환하지 않기 때문에 ''l'' = 0과 ''l'' = 2 상태를 혼합하는 항으로부터 기여를 받는다.

후자의 기여는 순수한 ''l'' = 0 기여가 없을 때 지배적이지만, 중수소 내부의 핵자 파동 함수의 정확한 공간 형태를 알지 못하면 계산할 수 없다.

유사한 이유로 위의 모델로는 더 높은 자기 및 전기 다중극자 모멘트를 계산할 수 없다.

3. 용도

중수소는 핵융합 연료 외에도 핵반응에서 중성자 감속재, 화학 및 생물학에서 동위체 효과 연구에 사용된다. NMR 용매로 중수소 원자로 치환된 용매(중수 및 중클로로포름 등, 중용매라고 불림)가 사용되며, 물 (HO)의 생물학적 대사 연구^[64]^[65] 및 아미노산 대사 연구^[66]^[67] 시 추적자로 활용된다.

제약 업계에서는 기존 약물의 경수소 원자를 중수소 원자로 치환하여 신약으로 특허를 출원하기도 한다. 중수소 효과로 인해 반응성이 낮아져 대사 분해되기까지 시간이 길어지므로, 기존 제품보다 약효 지속 시간이 길어지는 효과를 얻을 수 있다.^[68]

3. 1. 핵융합

퓨저 반응기에서 이온화된 중수소가 특징적인 분홍색-적색 빛을 내고 있다.

중수소 원자 2개를 핵융합시키면 막대한 에너지가 방출되는데, 항성 초기의 핵융합반응이 이 과정에 해당된다.^[63] 핵융합 발전이나 수소폭탄의 관점에서 볼 때는 주로 반응 온도 조건이 낮은 중수소와 삼중수소의 핵융합반응(D-T 반응)이 이용된다. 중수소는 해수에 대량 존재하기 때문에 핵융합 연료로서 유망한 에너지원으로 평가된다.

실험적으로, 중수소는 특히 트리튬과 결합하여 핵융합 반응기 설계에 사용되는 가장 흔한 핵종이다. 이는 중수소-트리튬(D-T) 반응의 큰 반응 속도(또는 핵 단면적)와 높은 에너지 수율 때문이다.

3. 2. 과학 연구

NMR 분광기에서 중수소는 흔히 이용된다. NMR은 보통 용액에 용해되는 화합물을 필요로 한다. 중수소는 가벼운 수소와 다른 핵 스핀 특성을 가지므로, 일반적인 수소의 NMR 스펙트럼은 중수소와 크게 다르다. 중수소는 일반적인 수소에 맞춰진 NMR 장치로는 관측되지 않는다. 따라서 중수소 용해물(중수 혹은 중수소를 포함한 클로로포름 등)은 NMR 분광기에서 경수소 화합물들의 스펙트럼만을 측정하기 위해 사용된다.^[8] 중수소화 용매는 용매가 신호와 겹치는 것을 막기 위해 프로튬 NMR에 사용되지만, 자체적으로 중수소 NMR도 가능하다. 핵자기 공명 분광법은 동위 원소 표지 시료 (중수소 NMR)에서 중수소의 환경에 대한 정보를 얻는 데에도 사용할 수 있다.^[28]

중수소화 화합물은 질량 분석법에서 내부 표준 물질로 사용된다. 이러한 표준 물질은 다른 동위원소 표지된 표준 물질보다 저렴한 비용으로 정확도를 향상시킨다. 중수소화된 분자는 일반적으로 수소 동위원소 교환 반응을 통해 제조된다.

화학, 생화학, 환경 과학에서 중수소는 비방사성 안정 동위 원소 추적자로 사용된다. 예를 들어, 이중 표지수 검사에 사용된다. 화학 반응과 대사 경로에서 중수소는 일반 수소와 비슷하게 작동하지만, 몇 가지 화학적 차이점이 있다. 질량 분석법 또는 적외선 분광법을 사용하여 질량으로 일반 수소와 구별할 수 있다. 중수소는 펨토초 적외선 분광법으로 감지할 수 있는데, 질량 차이가 분자 진동의 주파수에 큰 영향을 미치기 때문이다. H-탄소 결합 진동은 다른 신호가 없는 스펙트럼 영역에서 발견된다.

중성자 산란 기술은 중수소화된 시료를 활용하여 이점을 얻는다. H과 H의 단면적은 부호가 다르며, 이는 실험에서 대비 변화를 가능하게 한다. 일반 수소의 큰 비간섭성 중성자 단면적은 H에는 존재하지 않아, 일반 수소를 중수소로 대체하면 산란 잡음이 줄어든다.

3. 3. 의약품

중수소화 약물은 약물 분자 내 하나 이상의 수소 원자가 중수소로 대체된 저분자 의약품이다. 동위원소 효과로 인해 중수소를 함유한 약물은 대사 속도가 현저히 낮아지고, 따라서 반감기가 길어질 수 있다.^[35]^[36]^[37]

기존 약물의 경수소(일반적인 수소) 원자를 중수소 원자로 치환하면 반응성이 낮아져 대사 분해되기까지 시간이 길어진다. 따라서 기존 제품보다 약효 지속 시간이 길어지는 효과를 얻을 수 있다.^[68]

2017년 4월, 헌팅턴병 치료제인 테트라베나진(코레아진)의 2개의 메톡시기의 수소를 중수소로 치환한 듀테트라베나진(상표명 Austedo)가 FDA에 의해 인가되었다.^[38]^[70] 이는 최초로 인가된 중수소화 의약품이다.

3. 4. 기타

중수소는 필수 영양소의 산화에 취약한 결합을 강화하는 데 사용될 수 있다.^[39] 예를 들어, 중수소화 고도불포화 지방산인 리놀레산은 세포 손상을 유발하는 지질 과산화 연쇄 반응을 늦춘다.^[40]^[41]

중수소는 생체 시계 진동 주기를 늦추는 효과도 있다.^[44]^[45]^[46]^[47] 쥐 실험에서 25% 중수(²H₂O) 섭취는 뇌 시상하부 시교차상핵 의존적 리듬의 생체 시계 주기를 늘려 생체 리듬을 방해하는 것으로 나타났다.^[46]

또한, 중수소는 생폴리오 백신과 같은 생백신의 안정성을 높이는 데 사용될 수 있다.^[43]

일본 이와타니 산업은 2018년 중수소 가스 상업 생산을 시작했다.^[71] 중수소 가스는 일반 수소 가스보다 반도체 재료와 결합하기 쉬워 반도체 내구성을 높이는 데 사용된다.^[71]

4. 역사

1913년 네온 연구에서 가벼운 원소의 비방사성 동위원소 존재 가능성이 처음 제기되었고, 1920년 가벼운 원소의 질량 분석법으로 증명되었다. 당시에는 중성자가 발견되기 전이라, 원소의 동위원소는 핵에 추가적인 양성자와 같은 수의 핵 전자가 동반된다는 이론이 지배적이었다. 이 이론에 따르면 중수소 핵은 양성자 두 개와 핵 전자 하나를 포함하는 것으로 여겨졌다. 그러나 수소 원소는 양성자 하나로 구성된 핵을 가지며, 두 번째 양성자를 가질 수 없다고 예상되어, 수소는 무거운 동위원소를 가지지 않는다고 생각되었다.

1931년 말, 컬럼비아 대학교의 화학자 해럴드 유레이가 액체 수소를 증류하여 질량 2인 수소 동위원소 분획을 농축, 분광학적으로 중수소를 처음 검출했다.^[49]^[50] 1933년 길버트 N. 루이스는 버클리에서 최초의 순수한 중수 샘플을 준비하고 특성화했다. 1932년 중성자가 발견되면서 중수소의 존재가 더 명확하게 설명되었고, 유레이는 1934년 노벨 화학상을 수상했다.

제2차 세계 대전 직전, 한스 폰 할반과 레프 코바르스키는 중성자 감속 연구를 프랑스에서 영국으로 옮기면서, 노르웨이에서 생산된 전 세계 중수소 공급량 전체를 밀반입했다.^[55]^[56] 제2차 세계 대전 동안, 나치 독일은 원자로 설계의 감속재로 중수소를 사용하는 실험을 진행했다. 이는 원자 폭탄에 사용될 플루토늄 생산 가능성 때문에 우려를 낳았다. 결국 연합군은 노르웨이 중수 폭파 작전을 통해 노르웨이 베모르크의 중수소 생산/농축 시설 파괴를 목표로 했다.

전쟁이 끝난 후, 연합군은 독일이 예상만큼 핵무기 개발에 큰 노력을 기울이지 않았음을 확인했다. 독일군은 작고 부분적으로 건설된 실험용 원자로만 완성했고, 연쇄 반응을 유지할 수 없었다.

4. 1. 명명

해럴드 유리는 '프로튬', '듀테륨(중수소)', '트리튬'(삼중수소)이라는 이름을 제안했다.^[3]^[51] 듀테륨은 그리스어 "듀테로스"(두 번째)에서 유래했다.^[3]^[51] 일부 영국 과학자들은 그리스어 ''디플로오스''(이중)에서 유래한 "디플로겐"이라는 이름을, 핵은 "디플론"이라고 부르기를 원했다.^[3]^[51]

4. 2. 핵무기

계측 장비 및 극저온 장비에 부착된 아이비 마이크 H 폭탄의 "소시지" 장치 케이스. 20피트 높이의 폭탄은 액체 중수소 160kg을 수용할 수 있는 듀어 플라스크를 보관하고 있었다.

수소폭탄(열핵무기)은 중수소와 리튬 화합물을 포함한다. 1952년 11월 1일 미국이 폭발시킨 62톤의 아이비 마이크 장치는 최초로 성공한 수소폭탄이었다. 아이비 마이크 폭탄은 중앙에 약 1000리터 부피(이 부피가 완전히 채워진 경우 160킬로그램 질량)의 극저온 액체 중수소를 보관한 매우 크고 원통형이며 단열된 진공 플라스크 또는 극저온 용기가 있었다. 그리고 폭탄의 한쪽 끝에 있는 기존의 원자 폭탄("1차")을 사용하여 열핵 반응을 일으키는 데 필요한 극심한 온도와 압력 조건을 생성했다.^[55]^[56]

몇 년 안에, 극저온 수소가 필요하지 않은 소위 "건식" 수소 폭탄이 개발되었다. 공개된 정보에 따르면 그 이후로 제작된 모든 열핵 무기는 2차 단계에서 중수소와 리튬의 화합물을 포함하고 있다. 중수소를 포함하는 물질은 주로 중수화 리튬이며, 리튬-6이 원자 폭탄에서 나온 빠른 중성자에 의해 폭격을 받으면 삼중 수소(수소-3)가 생성되고, 중수소와 삼중 수소는 신속하게 핵융합에 참여하여 풍부한 에너지, 헬륨-4, 더 많은 자유 중성자를 방출한다. 차르 봄바와 같은 "순수" 융합 무기는 구식으로 간주된다. 대부분의 현대("증폭") 열핵 무기에서 융합은 전체 에너지의 작은 부분만 직접 제공한다. 중수소-삼중수소(D-T) 융합에서 생성된 고속 중성자에 의한 자연 우라늄-238 탬퍼의 핵분열은 융합 반응 자체보다 훨씬 더 큰(즉, 증폭된) 에너지 방출을 설명한다.

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