ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

ОТКРЫТИЕ ДЕЙТЕРИЯ

Стория открытия атомов водорода, входящих в состав мо­лекулы тяжелой воды, очень интересна и поучительна. Она показывает, как порой труден и извилист путь, которым идет наука в своем стремлении раскрыть тайны природы. И бывает так, что новые исследования, новые данные застав­ляют совсем по-иному ответить на вопрос, который, казалось бы, уже давным-давно решен. Именно так обстояло дело с открытием одного из изотопов водорода.

В двадцатых годах «население» периодической таблицы значительно увеличилось. У многих элементов были най­дены изотопы. Но немало было еще клеток, где по-прежнему стояли одинокие атомы. К ним, в частности, принадлежали клетки, занимаемые кислородом и водородом. Изотопы водорода были открыты значительно позже изотопов многих других элементов. Почему так случилось?

Представьте себе двух ученых: один из них химик, дру­гой — физик. Перед обоими поставлена одна задача — воз­можно точнее определить атомный вес водорода. Пути же решения у них разные.

Химик берет некоторое количество газообразного водо­рода, измеряет его температуру, давление и взвешивает.

Если было бы известно, сколько молекул водорода содер­жится во взятом количестве газа, то легко было бы вычис­лить вес одной молекулы. Однако непосредственно под­считать число молекул, так же как и взвесить одну из них, невозможно. Значит, подойти к решению можно только окольным путем. В химии известен закон Авогадро, со­гласно которому в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится равное число молекул. Поэтому, если взять точно такой же объем другого газа и взвесить его, то отношение веса первого газа к весу второго будет равно отношению весов отдельных молекул этих газов. Так можно узнать только отношение весов, а не сами веса молекул или атомов. Химика такое решение вполне удовлетворяет. Он принимает вес атома какого-нибудь химического элемента за условную единицу, эталон, и веса всех других атомов из­меряет этим эталоном-гирькой.

По предложению немецкого химика Оствальда в 1900 году ученые условились считать вес атома кислорода рав­ным 16 единицам.

Значит, */1б веса атома кислорода и есть та «гирька», которой решено было взвешивать атомы всех других хи­мических элементов. Эта единица получила название «кис­лородной единицы». Вес атома любого химического элемен­та, выраженный в «кислородных единицах», и принято называть атомным весом данного элемента.

Заметим, что указанный выбор единицы атомного веса сделан из чисто практических соображений: почти все хи­мические элементы образуют соединения с кислородом. Это позволяет по данным химического анализа кислородного соединения элемента вычислить его атомный вес.

Самое тщательное определение атомного веса водорода, проведенное химическим методом, дает для него цифру 1,00777 «кислородной единицы».

Физйк для определения атомного веса избирает другой метод. Он делает это при помощи известного уже нам масс- спектрографа.

Атомный вес водорода, полученный этим способом, ра­вен 1,00778. Такое измерение произвел в 1919 году Астон. Совпадение в цифрах не оставляет желать ничего лучшего. При этом единственное изображение щели на масс-спектро - грамме свидетельствует о том, что все атомы водорода имеют одну и ту же массу. Следовательно, у водорода нет изото­пов.

Одинаковые результаты, полученные совершенно раз­личными методами, естественно, отбили охоту даже у са­мых страстных исследователей продолжать поиски изото­пов водорода. Почти целое десятилетие ученые к этому во­просу не возвращались.

Но вот в 1927 году были открыты изотопы кислорода. Их оказалось три: О16, О17, О18. Природный кислород, который химики считали состоящим из однородных атомов, оказался смесью трех сортов атомов с различной массой. В этой смеси на каждые 2500 атомов О16 приходится при­мерно один атом О17 и пять атомов О18. Мы говорим «при­мерно», так как на самом деле содержание изотопов в при­родном кислороде не постоянно, а несколько колеблется. Например, в кислороде, полученном разложением воды, изотопа О18 содержится на 3,5 процента меньше, чем в кислороде, полученном из воздуха.

Открытие изотопов у кислорода заставило пересмотреть данные об атомных весах химических элементов. Если изо­топный состав кислорода непостоянен, то и равные объемы его будут весить неодинаково, значит, и «гирька», выбран­ная в качестве эталона, может менять свой вес. Это, бес­спорно, вносит ошибку в ранее определенные атомные ве­са химических элементов. Правда, изотопный состав кис­лорода изменяется незначительно, и поэтому погрешность не имеет для практики существенного значения. Главное здесь в другом.

Химики ведут свои расчеты по отношению к естественной смеси изотопов кислорода, принимая ее атомный вес рав­ным 16. Физики же свои опытные данные относят к чистому изотопу О16, приписывая ему атомный вес 16. Ясно, что обе «гирьки» неодинаковые.

Единица атомного веса, выбранная химиками, оказывает­ся тяжелее единицы, выбранной физиками, в 1,000278 раза.

А взвешивание неодинаковыми единицами приводит к разным числовым результатам.

Так появились две шкалы атомных весов: химическая и физическая. Если пересчитать атомный вес для водорода, найденный химиками, в физической шкале, получится циф­ра 1,00805, тогда как физики указывают цифру 1,00778. Разница, конечно, невелика. Но в чем же все-таки причина расхождения?

Если химический метод определения атомного веса во­дорода дает завышенные результаты, то не объясняется ли

Это присутствием в естественном водороде каких-то более тяжелых атомов? Нет ли у него изотопов?

Сколько к чистому протию надо добавить предполагае­мого изотопа, чтобы его атомный вес стал равным 1,00805? Оказывается, к пяти тысячам атомов протия достаточно добавить всего один атом изотопа водорода с массовым чис­лом два, и разность в атомных весах исчезнет. Но как же быть с масс-спектрограммой водорода, на которой мы видим одно-единственное изображение щели? Ведь это значит, что водород состоит из одного сорта атомов, одного изото­па. А может быть, физики ошиблись? Возможно, приборы были недостаточно чувствительны и такое ничтожное коли­чество второго изотопа не уловили?

Если у водорода действительно имеется другой изотоп, то надо попытаться как-то выделить его, по возможности в более чистом виде. Теоретические рассуждения привели ученых к тому, что изотоп водорода с удвоенной массой дол­жен иметь более высокую температуру кипения, чем про - тий. Поэтому было решено испарить большое количество жидкого водорода в надежде, что остаток обогатится тя­желым изотопом. И действительно, когда такой остаток подвергли всестороннему анализу, второй изотоп водорода был обнаружен! Это было весной 1932 года. Новый изотоп был назван тяжелым водородом, или дейтерием (от греческо­го слова «дейтерос» — второй). По аналогии с протоном, ядро этого атома получило название —дейтон; часто его также называют дейтерон.

Обозначают дейтерий двояким образом— или просто бук­вой «О», или, если желают подчеркнуть, что он является изотопом водорода с удвоенным массовым числом, то со­храняют химическое обозначение водорода и пи­шут Н2.

Казалось, теперь все обстоит хорошо. Что искали, то и нашли. Оставалось проверить содержание дейтерия в ес­тественном водороде. Действительно ли в нем на каждые 5000 атомов протия приходится один атом дейтерия? Одна­ко, когда ученые приступили к таким исследованиям, они вновь столкнулись с трудно объяснимым фактом. Опы­ты одних показали, что на один атом дейтерия приходится тридцать тысяч атомов легкого изотопа водорода, в опытах других получилась цифра сорок тысяч, у третьих — восемь­десят и даже сто тысяч. И никто не подтвердил, что на один атом тяжелого водорода приходится пять тысяч атомов легкого изотопа, как это должно быть, если исхо­дить из разности атомных весов.

Может быть, расхождение в атомных весах определяет­ся не только присутствием дейтерия, а имеются еще более тяжелые атомы, например изотоп водорода с массовым числом три? Исследования того времени не обнаружили такого изотопа.

Вопрос о причине разности атомных весов, казалось, снова повис в воздухе. Выход из этого затруднительного положения открылся совершенно неожиданно. В июле 1932 года американские ученые Уошбэрн и Юрэй заме­тили, что при электролизе воды газ, выделяющийся на като­де, беднее дейтерием примерно в шесть-восемь раз, чем водород, входящий в состав, подвергаемый электролизу воды.

В водороде, полученном путем электролиза, содержание дейтерия в процентном отношении оказывается меньше, чем его содержание в природной воде. И, наоборот, в не­большом количестве жидкости, оставшейся после электро­лиза, концентрация дейтерия возрастает. Анализы на со­держание дейтерия, видимо, в большинстве случаев прово­дились с водородом, полученным путем электролиза при­родной воды. Таким образом, испытывался самый непод­ходящий материал, уже заранее обедненный тяжелым водородом.

Причина расхождений результатов отдельных исследо­вателей была найдена. Открытие, сделанное Уошбэрном и Юрэй, указало также на простой и удобный метод полу­чения дейтерия. В скором времени путем разложения 20 литров остатков, собранных из заводских электролизе­ров, было впервые получено 0,12 куб. сантиметра воды, содержащей не менее 99,99 процента дейтерия от всего количества водорода, входящего в состав ее молекул.

Воду, в молекулах которой место атомов протия зани­мают атомы дейтерия, и назвали тяжелой водой.