Николай Непомнящий - 100 великих событий ХХ века

Гипотеза Шерингера предполагала, что и у самого легкого элемента – водорода – тоже могут быть изотопы. Однако попытки обнаружить тяжелый водород оставались безуспешными еще в течение многих лет. У имевшегося в распоряжении Астона прибора не хватало чувствительности.

В 1927 г. Астон очень точно для того времени измерил отношение масс атомов водорода и кислорода-16, при этом выяснилось, что природный кислород – плохой эталон для измерения атомных масс, поскольку кислород представляет собой смесь изотопов. Затем появилось предположение о том, что и в обычном водороде имеется более тяжелый изотоп. Расчеты показали, что на 5000 атомов обычного водорода 1H должен приходиться всего один атом его вдвое более тяжелой разновидности 2Н. Дело оставалось за малым – обнаружить этот изотоп экспериментально. Учитывая чувствительность имевшейся в то время аппаратуры, выход был один: сконцентрировать тяжелый водород, увеличив тем самым его содержание в обычном водороде, – примерно так же, как концентрируют спирт, перегоняя его смесь с водой. После этого можно было снова попытаться обнаружить тяжелый изотоп водорода аналитически.

В конце 1931 г. американские физики Гарольд Юри и его ученики Брикведде и Мерфи взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке; оставшийся 1 миллилитр жидкости был исследован спектроскопическим методом. Гарольд Юри заметил на спектрограмме обогащенного водорода новые очень слабые линии, отсутствующие у обычного водорода. При этом положение линий в спектре точно соответствовало проведенному им квантово-механическому расчету предполагаемого атома 2H. Новый изотоп Юри назвал дейтерием.

Пытаясь оценить так называемый коэффициент обогащения при испарении жидкого водорода, исследователи поняли, что в своих опытах использовали самый неподходящий источник водорода. Дело в том, что он был получен, как обычно, путем электролиза воды. А ведь при электролизе легкий водород должен выделяться быстрее, чем тяжелый. Получается, что образец был сначала обеднен тяжелым водородом, а затем снова обогащался им!

После того как дейтерий был обнаружен спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил разделять изотопы водорода электролизом. Эксперименты подтвердили перспективность предложенного способа получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932 г., а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов.

В 1934 г. за открытие тяжелого водорода Юри была присуждена Нобелевская премия по химии. (Уошберн тоже был представлен к премии, но скончался в том же году, а по положению о Нобелевских премиях они вручаются только прижизненно.)

Когда был открыт нейтрон, стало ясно, что удваивает массу ядра дейтерия именно он. В среднем в природном водороде содержится 0,0156 % дейтерия. По химическим свойствам дейтерий схож с протием, но огромное различие в их массах приводит к заметному замедлению реакций с участием атомов дейтерия. С помощью дейтерия можно «пометить» водородсодержащие молекулы и детально изучить механизмы их реакций.

После фундаментальных работ Уошберна и Юри исследования нового изотопа стали развиваться быстрыми темпами. Уже вскоре после открытия дейтерия в природной воде была обнаружена ее тяжелая разновидность. Обычная вода состоит в основном из молекул Н 2О. Но если в природном водороде есть примесь дейтерия, то и в обычной воде должны быть примеси НDO и D 2O. И если при электролизе воды водород Н 2выделяется с большей скоростью, чем НD и D 2, то со временем в электролизере должна накапливаться тяжелая вода. В 1933 г. Гилберт Льюис и Роналд Макдональд сообщили, что в результате длительного электролиза обычной воды им удалось получить не виданную никем до этого новую разновидность воды – тяжелую воду.

Открытие и выделение весовых количеств новой разновидности воды – D 2O – произвело большое впечатление на современников. Всего за два года после открытия было опубликовано более сотни работ, посвященных исключительно тяжелой воде. О ней читались популярные лекции, печатались статьи в массовых изданиях. Практически сразу же после открытия тяжелую воду стали использовать в химических и биологических исследованиях. Так, было обнаружено, что рыбы, микробы и черви не могут существовать в ней, а животные погибают от жажды, если их поить тяжелой водой. Не прорастают в тяжелой воде и семена растений.

Однако технически получение значительных количеств D 2О представляло собой трудную задачу. Для обогащения воды дейтерием на 99 % необходимо уменьшить объем воды при электролизе в 100 тысяч раз. Льюису и Макдональду путем поэтапного электролиза в ячейках уменьшающегося размера удалось, наконец, получить 0,3 мл воды, плотность которой (1,1059 при 25 °C) достигла предела. Эти несколько капель и были первые за всю историю Земли капли почти чистой тяжелой воды.

Соответствующие расчеты показали, что прежние оценки соотношения обычного и тяжелого водорода в природе были слишком оптимистическими: оказалось, что в обычной воде содержится всего 0,017 % (по массе) дейтерия, что дает соотношение D: Н = 1:6800.

Чтобы получать заметные количества тяжелой воды, необходимой ученым для исследований, необходимо было подвергать электролизу уже огромные по тем временам объемы обычной воды. А тут выяснилось, что тяжелая вода является прекрасным замедлителем нейтронов и потому может быть использована в ядерных исследованиях, в том числе для построения ядерных реакторов. Спрос на тяжелую воду вырос настолько, что стала ясна необходимость налаживания ее промышленного производства. Трудность состояла в том, что для получения 1 тонны D 2O необходимо переработать около 40 тысяч тонн воды, израсходовав при этом 60 млн кВт-ч электроэнергии – столько уходит на выплавку 3000 т алюминия!

Первые полупромышленные установки были маломощными. В 1935 г. на установке в Беркли еженедельно получали 4 г почти чистой D 2O, стоимость которой составляла 80 долларов за грамм (через 40 лет стоимость тяжелой воды снизилась до 14 центов за грамм). Наиболее трудоемким оказался самый первый этап электролиза, в котором концентрация тяжелой воды повышалась до 5—10 %, поскольку именно на этом этапе приходилось перерабатывать огромные объемы обычной воды и использовать в электролизерах большие токи.

Дальнейшее концентрирование можно было уже без особых проблем провести в лабораторных условиях. Поэтому преимущества получали те промышленные установки, которые могли подвергать электролизу большие объемы воды.

Теоретически можно вместо электролиза использовать и простую перегонку, поскольку обычная вода испаряется легче, чем тяжелая. Однако этот способ чрезвычайно трудоемкий.