Техника - молодёжи 1956-08, страница 35

желый изотоп с атомным весом, равным 2, был назван дейтерием и обозначен в отличие от обычного, легкого, водорода (Н) буквой Д. В 1934 году был открыт, а вскоре и получен в чистом виде третий — радиоактивный — изотоп водорода, имеющий в ядре уже два нейтрона и получивший название трития.

В соответствии с количеством нейтронов в ядре дейтерий и тритий приблизительно вдвое и втрое тяжелее, чем про-тий, но химическая природа всех трех изотопов одинакова. Следовательно, разница в массах изотопов объясняется различным содержанием в ядре нейтронов — нейтральных частиц, с массой,

Равной приблизительно массе протона.

силу того, что эти частицы не несут никакого заряда, они обладают необычайно большой проникающей способностью. Это свойство нейтронов и явилось основой всевозможных ядерных превращений, позволивших осуществлять цепные реакции с освобождением огромного количества тепловой энергии.

ТЯЖЕЛЫЙ ВОДОРОД В ПРИРОДЕ. Содержится дейтерия в воде очень мало. Всего около 40 г на 1 ООО кг воды. В воде горных рек его несколько меньше, а в озерах — несколько больше, чем в равнинных реках. Так, например, жители Верхней Осетии пьют воду, менее богатую дейтерием, чем москвичи. Объясняется это, повиди-мому, процессами фракционирования (разделения), происходящими при испарении и вымораживании воды. Установлено, что тяжелый изотоп водорода накапливается в животных и растительных организмах и продуктах органического происхождения, таких, например, как нефть. Однако все перечисленные отклонения находятся в пределах 10% (что составляет несколько тысячных долей процента в абсолютном содержании) и могут быть обнаружены только при очень точных методах анализа. Пробы озерной н морской воды, взятые с глубины 2 тыс. м, имеют в указанных пределах колебаний такой же изотопный состав, как и вода поверхностных слоев, Следовательно, поиски источников тяжелой воды, подобных источникам нефти или минеральной воды, бессмысленны!

СВОЙСТВА ДЕЙТЕРИЯ. Различия в свойствах изотопов водорода более значительны, чем у изотопов других элементов. Это способствовало сравнительно быстрому получению их в чистом виде, детальному изучению и широкому применению их в различных исследованиях в качестве меченых атомов.

Разница в температурах замерзания и кипения, равных соответственно —254,35° —249,41° для дейтерия и —259,05° и —252,62° для водорода, оказалась настолько существенной, что позволила использовать ее для разделения изотопов водорода. Теплопроводность дейтерия при 0°С и давлении в 1 атмосферу на 30% больше, чем у протия. Это свойство дейтерия было положено в основу одного из методов изотопного анализа газообразного водорода.

Изотопы водорода значительно отличаются друг от друга и по химическим свойствам. Так, например, реакция водорода с бромом идет в несколько раз быстрее, чем с дейтерием, и, наоборот, реакция синтеза тяжелого аммиака на свету, в присутствии паров ртути, идет в 10 раз быстрее, чем такая же реакция соединения водорода с азотом.

СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ.

Изотопам водорода соответствуют разновидности тяжелой воды, в которой обычный водород частично или полностью замещен дейтерием.

Обычно под тяжелой водой понимают воду с тяжелым изотопом водорода и обычным кислородом. Молекулярный вес ее равен 20. Это бесцветная, прозрачная жидкость, совершенно безвкусная, как и обычная дистиллированная вода.

дк'тсрий

Принцип разделения изотопов водорода дистилляцией.

Так же, как обычная вода, она не является ядовитой, горючей или взрывоопасной. Однако по физиологическому и биохимическому воздействию на организмы тяжелая вода представляет весьма своеобразное вещество, резко отличающееся от обычной. Оказалось, что чистая тяжелая вода и ее высококонцентрированные растворы гибельно влияют на живые существа; причем действуют не отравляюще, как яд, а парализующе, в ре-

РАЗДЕЯЕНИЕ обычной и тяжелой воды ПУТЕМ ФРАКЦИОННОЙ ПЕРЕГОНКИ в разделительных колоннах. Сверху поступает вода, снизу поднимается пар. Молекулы тяжелой воды переходят из пара в воду. Обогащенная дейтерием вода накапливается внизу колонны.

ПАР, ОБЕДНЕННЫЙ ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ

СМЕСЬ, ОБОГАЩЕННАЯ ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ

зультате замедления процессов жизнедеятельности организма. Целый ряд опытов показал, что в тяжелой воде не прорастают семена, а помещенные в нее микробы, головастики, черви и рыбы погибают через несколько часов. В разбавленной тяжелой воде их поведение мало чем отличается от нормального. В отдельных случаях небольшие дозы тяжелой воды оказывали стимулирующее, возбуждающее действие. Разнообразное влияние тяжелой воды на различные жизненные процессы, повидимому, объясняется резкой разницей масс водорода, что сказывается на скорости движения и диссоциации молекул воды и нарушает нормальное течение процессов в организме.

При исследовании тяжелой воды было установлено, что она и по физическим свойствам заметно отличается от легкой. Так, например, температура замерзания чистой тяжелой воды на 3,8°С выше, чем у обычной. Кипит тяжелая вода не при 100°С, как обычная, а при 101,42°С.

Наиболее характерен удельный вес тяжелой воды. Он на 10% больше, чем у обычной, благодаря чему она и была названа тяжелой. Это различие и положено в основу наиболее распространенного метода анализа воды на .содержание в ней дейтерия.

Вязкость тяжелой воды на 20% больше, чем у обычной. Коэффициент преломления света, наоборот, меньше, чем у обычной воды, что также используется для изотопного анализа воды с помощью интерферометра.

Известно, что одной из аномальностей обычной воды является уменьшение ее объема при повышении температуры от 0° до 4°С. В этом отношении тяжелая вода является еще более аномальной, так как имеет максимальную плотность при

11,6°С.

В тяжелой воде соли обладают меньшей растворимостью, а растворы — значительно меньшей электропроводностью. Химическая активность окиси дейтерия ниже, чем у обычной воды, так как при применении тяжелой воды наблюдается уменьшение скорости течения реакции.

Было установлено и другое совершенно парадоксальное свойство тяжелой воды: она с жадностью поглощает влагу, содержащуюся в воздухе или удерживаемую стенками сосуда, то-есть она гигроскопична. Вода поглощает воду! Причиной гигроскопичности тяжелой воды является пониженная упругость паров последней по сравнению с упругостью паров обычной воды. Поэтому, чтобы избежать разбавления концентрированной или чистой тяжелой воды, ее хранят в тщательно просушенной герметичной посуде.

Здесь перечислены только наиболее характерные и важные различия свойств тяжелой и легкой воды.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕЙТЕРИЯ И ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ. Разделение изотопов одних и тех же химических элементов было бы невозможно, если бы они не отличались друг от друга по массе, а следовательно, и по своим физико-химическим свойствам. На этом основаны все методы получения чистых изотопов. Однако различия эти очень малы. Даже у изотопов водорода, масса одного из которых в 2 раза больше массы другого, осуществить такое разделение чрезвычайно сложно, гораздо сложнее, чем разделить редкоземельные элементы или платиновые металлы.

Основным показателем, характеризующим эффективность разделения и определяющим количество необходимых стадий производства (ступеней), является

31