books what is heavy water

تعريف المياه الثقيلة

المياه الثقيلة هي مياه بنفس الصيغة الكيميائية للمياه العادية (H₂O)؛ أيّ أنَّها تتكوّن أيضاً من ذرتيّ هيدروجين وذرة أكسجين واحدة، لكنّها لا تحتوي على النظير العادي للهيدروجين الذي يُسمّى البروتيوم (بالإنجليزية: Portium)، وإنّما تحتوي على واحد من نظائر ذرة الهيدروجين الذي يُعرف بالديوتيريوم (بالإنجليزية: Deuterium) أو اثنين منه؛ ولهذا تُعرف المياه الثقيلة أيضاً بأكسيد الديوتيريوم (D₂O).

الوزن الجزيئي للمياه الثقيلة

يُشار إلى أنَّ الوزن الذري للديوتيريوم يُعادل 2 في حين أنَّ الوزن الذري للنظير العادي للهيدروجين البروتيوم يُعادل 1، وبهذا يختلف الوزن الجزيئي للمياه الثقيلة كُليّاً عن الوزن الجزيئيّ للمياه العاديّة؛ حيث يبلغ الوزن الجزيئي للمياه الثقيلة 20 في حال احتوائها على ذرتيّ ديوتيريوم؛ وهو ما يُمثّل مجموع ضعفيّ الوزن الذريّ للديوتيريوم 4 بالإضافة إلى الوزن الذري للأكسجين الذي يبلغ 16، فيما يبلغ الوزن الجزيئي للمياه العاديّة 18؛ وهو ما يُمثّل مجموع ضعفيّ الوزن الذري للبروتيوم 2 بالإضافة إلى الوزن الذري للأكسجين.

نسبة المياه الثقيلة في الطبيعة

تتكوّن المياه الثقيلة بصورةٍ طبيعيةٍ لكن بكمياتٍ قليلةٍ مُقارنةً بالمياه العاديّة؛ حيث تصل نسبة تواجدها في الطبيعة إلى ما يُعادل جزيء واحد منها مقابل عشرين مليون جزيء من المياه العاديّة، كما يُشار إلى أنَّ المياه الثقيلة لا تمتلك أيّ نشاط إشعاعيّ؛ لإنَّ الديوتيريوم يُعتبر نظيراً مُستقرّاً.

استخدامات المياه الثقيلة

تطبيقات المفاعلات النووية

فيما يأتي أهم استخدامات المياه الثقيلة في مجال المفاعلات النووية:

• تُستخدم في إبطاء سرعة النيوترونات في مفاعلات الانشطار النووي ضمن عملية تُعرف بتهدئة النيوترونات؛ وذلك لضمان حدوث تفاعل تسلسلي انشطاري فعّال، إلى جانب ذلك تُمثّل أحد الوسيطين اللذين يُمكن استخدامهما للسماح للمفاعل النووي أن يعمل باستخدام اليورانيوم الطبيعيّ، حيث يُمكنها التفاعل مع نظير اليورانيوم U²³⁵ بدلاً من نظير اليورانيومU²³⁸.
• تُستخدم كمُبرّد في المفاعلات النووية .
• تُستخدم في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي لرصد المجالات المغناطيسيّة حول أنوية الذرات.
• تُستخدم غالباً في مطيافية الأشعة تحت الحمراء* بدلًا من المياه العادية.
• تُستخدم في إنتاج التريتيوم الذي يُمثّل أحد نظائر الهيدروجين المُشعّة، إذ يُعدُّ مادةً فعّالةً في تفاعلات الاندماج النووي، حيث يتشكّل من خلال التقاط الديوتيريوم الموجود في المياه الثقيلة لنيوترون.

تطبيقات الدراسات الحيوية

تُستخدم المياه الثقيلة في الدراسات الحيوية الآتية:

• تُستخدَم كمتتبِّع (بالإنجليزية: Tracer) لدراسة آليّة بعض العمليّات الحيويّة؛ كالتنفّس والتركيب الضوئي.
• تدخل في اختبار مُعدّل الأيض لدى الإنسان والحيوان؛ عن طريق خلط كميّة من المياه الثقيلة مع مياه تحتوي على أكسجين ثقيل.
• تدخل في تحضير نظائر عديدة للمركبات العضوية.

مخاطر شرب المياه الثقيلة

يُنصح بتجنُّب شرب المياه الثقيلة لما تُسبّبه من أضرار في جسم الإنسان نتيجة تفاعل ذرات الديوتيريوم في العمليات الكيميائيّة الحيويّة داخل خلايا الجسم، ويُشار إلى أنَّ الضرر الذي تُحدثه يعتمد على المقدار الذي يتمّ شربه؛ إذ إنّ شرب مقدار كوب واحد منها أو أقل لا يتسبّب في حدوث أيّ ضرر، بينما يتسبّب شرب كمية كبيرة في الشعور بالدوار لإنَّ كثافتها أعلى من كثافة المياه العاديّة، ممّا يُؤثّر على السائل الموجود في الأذن الداخلية والمسؤوول عن المحافظة على توازن الجسم.

يؤدّي شرب كميات كبيرة من المياه الثقيلة لفترات زمنية متواصلة إلى زيادة نسبتها في المياه الموجودة في الجسم، لكنّها لا تُشكّل تهديداً على حياة الإنسان ما دامت نسبتها لا تتجاوز 20% من نسبة المياه الموجودة في الجسم، بينما تتسبّب في حدوث أضرار كبيرة في حال تجاوزت نسبتها 20%؛ إذ تؤدّي إلى العُقم في حال وصلت نسبتها 25%، أمَّا إذا وصلت نسبتها إلى 50% من المياه في الجسم فإنَّها تؤدّي إلى الموت، وتجدُر الإشارة إلى أنَّ هذه التأثيرات تحدث فقط في أجسام الثدييّات، في حين لا تتأثر بقيّة الكائنات الحية بها بنفس الطريقة، فمثلاً يُمكن أن يزداد نموُّ البكتريا فوقها فقط.

______________________________________________________________________________

• مطيافية الأشعة تحت الحمراء: (بالإنجليزية: Infrared spectroscopy)؛ عملية تحليل ضوء الأشعة تحت الحمراء المتفاعل مع ذرة واحدة عن طريق قياس مقدار امتصاص الأشعة أو انبعاثها أو انعكاسها.