Дейтерий. История открытия
Дейтерий. История открытия
О.В. Мосин
Дейтерий (тяжкий водород) – один из 2-ух размеренных изотопов водорода, ядро которого состоит из 1-го протона и 1-го нейтрона. Молекула дейтерия двухатомна. Содержание в природном водороде – 0,012–0,016%. Температура плавления – 254,5° С, температура кипения – 249,5° С. Томная вода (оксид дейтерия) – изотопная разновидность воды; плотность 1,1, температура плавления – 3,8° С, температура кипения – 101,4° С.
В 1932 одно за другим следовали выдающиеся открытия в области физики: были открыты нейтрон и позитрон, разработана протоно-нейтронная теория строения ядер и релятивистская квантовая механика, построен 1-ый циклотрон и придуман электрический микроскоп, проведена 1-ая реакция ядерного синтеза, экспериментально измерена скорость движения молекул. Недаром физики окрестили этот год anno mirabilis – год чудес. В этом же году был открыт и 2-ой изотоп водорода, нареченный дейтерием (от греческого deuteros – 2-ой, знак D).
Но что нового можно найти в обыкновенной воде? Сначала XIX века английский доктор и химик Уильям Праут выдвинул догадку, согласно которой из самого легкого элемента – водорода могли появиться все другие элементы методом конденсации. В данном случае атомные массы всех частей должны быть кратны массе атома водорода. Определения атомных масс, которые оказались дробными, эту догадку не подтвердили, и химики нередко обсмеивали её ее как лишенную научного содержания.
В 1917 германский ученый К. Шерингер представил, что атомы различных частей построены не только лишь из протия (от греческого protos – 1-ый), т.е. «легкого» водорода с атомной массой 1, а из различных изотопов водорода. К тому времени уже было понятно, что один и тот же элемент может иметь изотопы с разной массой.
Огромных фурроров в открытии изотопов нерадиоактивных частей достигнул британский физик Фрэнсис Уильям Астон при помощи сконструированного им масс-спектрографа. В этом приборе изучаемые атомы либо молекулы бомбардируются пучком электронов и преобразуются в положительно заряженные ионы. Пучок этих ионов дальше подвергается действию электронного и магнитного поля, и их линии движения отклоняются от прямой. Это отклонение тем посильнее, чем больше заряд иона и чем меньше его масса. Из значений отклоняющих напряжений конкретно получают относительные массы ионов. А из интенсивности пучка ионов с данной массой можно судить об относительном содержании в образчике этих ионов.
Догадка Шерингера подразумевала, что и у самого легкого элемента – водорода тоже могут быть изотопы. Но пробы найти тяжкий водород, предпринятые в 1919 Отто Штерном и Максом Фольмером, оказались безуспешными. Не удалось найти его и Астону. Это означало одно из 2-ух: или у водорода томного изотопа совсем нет, или его содержание в природном водороде очень не достаточно и чувствительности имевшегося в распоряжении Астона прибора недостаточно для его обнаружения. Правильным оказалось 2-ое предположение, но тяжкий водород скрывался от исследователей в течение еще многих лет, маскируясь под ошибки опыта.
В 1927 Астон с ювелирной точностью для тех пор измерил отношение масс атомов водорода и кислорода-16; у него вышло 1,00778:16,0000, что, казалось, находится в чудесном согласовании с плодами самых четких измерений атомной массы водорода хим методом: у химиков это отношение выходило равным 1,00777:16,0000. Но единодушие физиков и химиков было недолгим: оказалось, что природный кислород, с которым работали химики, – нехороший идеал для измерения атомных масс, так как кислород представляет собой смесь изотопов, при этом их относительное содержание в различных источниках не полностью повсевременно. Четкие измерения сначала 30-х соотношения 18O:16O = 1:630 значимым образом изменили все прежние расчеты и данные об атомных массах. Пришлось в срочном порядке отрешаться от «химической» шкалы атомных масс и перебегать на «физическую» шкалу, основанную на кислороде-16. Таковой пересчет данных хим анализов отдал отношение масс Н:16О = 1,00799:16,0000, что уже приметно отличалось от измерений Астона. Кто же ошибся – физики либо химики, выполнившие определения атомных масс? И те и другие ручались за точность собственных определений, расхождение в результатах далековато выходило за границы экспериментальных ошибок.
В 1931 было высказано предположение о том, что причина маленького расхождения – наличие в обыкновенном водороде более томного изотопа. Расчеты проявили, что расхождение устраняется в этом случае, если на 5000 атомов обыденного водорода приходится всего один атом его в два раза более тяжеленной разновидности атомов дейтерия. Дело оставалось за малым – найти этот изотоп экспериментально. Но как это сделать, если его вправду так не достаточно? С учетом чувствительности имевшейся в то время аппаратуры выход был один: сконцентрировать тяжкий водород, увеличив тем его содержание в обыкновенном водороде, – приблизительно так же, как концентрируют спирт, перегоняя его смесь с водой. Если перегонять смесь обыденного и томного водорода, остаток должен обогащаться более томным изотопом. После чего можно было опять попробовать найти тяжкий изотоп водорода аналитически.
В конце 1931 группа американских физиков – Гарольд Юри со своими учениками, Фердинандом Брикведде и Джорджем Мерфи, взяли 4 л водянистого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, т.е. уменьшив объем в 4 тыщи раз. Этот последний миллилитр воды после ее испарения и был изучен спектроскопическим способом. Профессиональный спектроскопист Гарольд Клейтон Юри увидел на спектрограмме обогащенного водорода новые очень слабенькие полосы, отсутствующие у обыденного водорода. При всем этом положение линий в диапазоне точно соответствовало проведенному им квантово-механическому расчету предполагаемого атома дейтерия. Соотношение интенсивностей линий нового изотопа (Юри именовал его дейтерием) и обыденного водорода показало, что в исследованном обогащенном образчике нового изотопа в 800 раз меньше, чем обыденного водорода. Означает, в начальном водороде томного изотопа еще меньше. Но как?
Пытаясь оценить так именуемый коэффициент обогащения при испарении водянистого водорода, исследователи сообразили, что в собственных опытах использовали самый неподходящий источник водорода. Дело в том, что он был получен, как обычно, методом электролиза воды. А ведь при электролизе легкий водород должен выделяться резвее, чем тяжкий. Выходит, что эталон был поначалу обеднен томным водородом, а потом опять обогащался им!
После того, как дейтерий был найден спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил делить изотопы водорода электролизом. Опыты проявили, что при электролизе воды легкий водород вправду выделяется резвее, чем тяжкий. Конкретно это открытие стало главным для получения томного водорода. Статья, в какой сообщалось об открытии дейтерия, была написана весной 1932, а уже в июле были размещены результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 за открытие томного 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 в ядре дейтерия, в отличие от протия, кроме протона находится также нейтрон. Потому ядро дейтерия – дейтрон в два раза тяжелее протона; его масса в углеродных единицах равна 2,0141018. В среднем в природном водороде содержится 0,0156% дейтерия. В прибрежной морской воде его малость больше, в поверхностных водах суши – меньше, в природном газе – еще меньше (0,011–0,013%). По хим свойствам дейтерий идентичен с протием, но большущее различие в их массах приводит к приметному замедлению реакций с ролью атомов дейтерия. Так, реакция дейтерированного углеводорода R–D с хлором либо кислородом замедляется, зависимо от температуры, в 5–10 раз по сопоставлению с реакцией R–Н. При помощи дейтерия можно «пометить» водородсодержащие молекулы и изучить механизмы их реакций. Так, а именно, были исследованы реакции синтеза аммиака, окисления углеводородов, ряд других принципиальных процессов.