1934年ノーベル化学賞
受賞理由
重水素（重い水素）の発見
受賞者
アメリカ合衆国
解説
水素はとても小さくて軽い原子で、中心に陽子が1個、そのまわりを電子が回っています。でも、まれに陽子のほかに中性子が1個くっついた“重い水素”がいます。ハロルド・ユーリーは実験でこの特別な水素を見つけました。重い水素はふつうの水素より少し重いだけですが、たくさん集まると水の重さも変わります。これを使うと星の中での反応やエネルギーのしくみを調べることができ、人類の科学に新しい道を開きました。
関連キーワード
重水素
重水素は質量数2の水素同位体で、原子核に陽子1個と中性子1個を含む。天然存在比は約0.015%と低いが、元素進化の指標として貴重である。化学的性質は水素とほぼ同じだが、結合エネルギーや振動数がわずかに異なるため、同位体効果を通じて反応機構解析に使われる。D–D核融合で3Heや中性子が生成されることから、エネルギー研究でも注目される。同位体標識材やNMR溶媒としても実験化学を支えている。
同位体
同位体とは原子番号が同じで質量数が異なる原子種を指す。核内の陽子数は一定だが、中性子数が変わるため質量が違う。同位体は化学的にはほぼ同一の挙動を示すが、質量差に由来する反応速度の違い（同位体効果）がある。安定同位体は環境トレーサーや医療診断に利用され、放射性同位体は年代測定や照射源として重要である。重水素の発見は同位体化学の発展を加速し、質量分析や分光学の精度向上につながった。
質量分析
質量分析はイオン化した分子や原子を質量電荷比で分離し、組成を解析する手法である。1910年代にライスとデンプスターが基礎を築き、同位体発見に大きく貢献した。ユーリーの研究でも、質量2イオンの検出が重水素の裏付けとなった。現代では高分解能FT-ICRやOrbitrapがppm以下の質量精度を達成し、プロテオミクスから宇宙塵分析まで応用範囲が広い。質量分析は同位体比計測にも不可欠で、環境科学や地球化学でのトレーサー研究を支えている。
重水
重水は水素の代わりに重水素を含む水（D₂O）で、密度は通常の水より約10%高い。中性子吸収断面積が小さいため、天然ウラン炉の減速材や冷却材に使われる。生体に取り込まれると代謝速度が変化し、生命科学の同位体ラベリングにも利用される。第二次世界大戦中には重水の供給が核開発に絡んで争奪の的となった。今日では中性子散乱実験で溶媒バックグラウンドを減らす役割も果たす。
核融合
核融合は軽い原子核が合体してより重い核を作り、莫大なエネルギーを放出する反応である。太陽では主に水素-水素連鎖が起こり、地上実験ではD-TやD-D反応が研究される。重水素は最も利用しやすい燃料候補で、その入手には海水からの電解濃縮が用いられる。高温プラズマの閉じ込めにはトカマクや慣性封じ込め法が開発されている。商用核融合実現にはまだ課題が多いが、重水素の安定供給と燃料サイクル技術が鍵となる。
ビッグバン元素合成
ビッグバン元素合成は宇宙誕生後3分以内に軽元素が形成された過程を指す。モデルは陽子、中性子、重水素、ヘリウム、微量リチウムの生成比を予測し、観測値と比較することで宇宙のバリオン密度を推定できる。重水素は核破壊されやすいため宇宙の進化で減少し、その現在量は初期生成量をほぼ保存している。ユーリーの発見がなければ観測的検証は困難だった。宇宙背景放射と並ぶ初期宇宙の主要な検証柱である。
宇宙化学
宇宙化学は隕石や惑星大気、星間塵などの化学組成と同位体比を研究し、太陽系や銀河の形成史を探る学問である。ユーリーは重水素研究を足がかりに、地球外物質の同位体分析へ展開し、月試料の水素同位体分布を調べた。D/H比は水の起源や彗星からの供給量を推定する手がかりとなる。現代のはやぶさ2やOSIRIS-RExの試料リターンでも高分解能質量分析が活躍している。宇宙化学は惑星探査や生命起源研究とも密接に結びついている。
原子核物理
原子核物理は原子核の構造や反応を研究する学問で、強い相互作用の理解を目指す。重水素は最も単純な多体核として、核力モデルや散乱実験の基準系となる。束縛エネルギー、クォーク配置、テンソル力の解析は理論と実験の検証に重要である。ユーリーの発見がなければ精密測定の比較対象が不足していた。重水素ターゲットは電子散乱やニュートリノ実験でも利用され、基礎物理定数決定に寄与している。