In 1932, unul după altul, urmat de descoperiri remarcabile in domeniul fizicii: primul ciclotron si a inventat microscopul electronic, realizat prima reacție de fuziune nucleară măsurată experimental vitezei moleculelor au fost descoperite cu neutroni și un pozitron, teoria proton-neutron dezvoltată a structurii nucleelor și mecanicii cuantice relativistice este construit. Nu e de mirare fizica numit acest an anno mirabilis # 150; annus mirabilis. În același an a fost deschis și un al doilea izotop de hidrogen, deuteriu numit (de la deuteros grecești # 150; în al doilea rând, simbolul D).
Descoperirea de deuteriu poate servi ca o ilustrare excelentă a paradoxal la prima vedere, spunând francez chimist fizic Anri Le Chatelier, un apel discipolilor săi: „Greșeala este nu numai tineri cercetători, dar multe de varsta mijlocie, cu experiență și, adesea, oamenii de știință talentați este că ei direcționează atenția spre soluționarea foarte probleme complexe, care nu este suficient de sol pregătit. Dacă vrei să faci ceva cu adevărat mare în știință, dacă doriți să creați ceva fundamental, țineți sondajul cel mai detaliat, se pare, la sfârșitul examinate problemele. Este aceste aparent simple și nu ascund nimic obiecte noi si sunt sursa de la care va fi capabil să se bazeze pe o abilitate a datelor cele mai valoroase și, uneori, neașteptate ".
Într-adevăr, ceea ce ar putea fi de așteptat din studiul proprietăților fizice ale apei pure obișnuite # 150; acestea au fost studiate, așa cum se spune, de departe și-n lat în secolul al 19-lea. Să ne amintim totuși că efectuate în 1893 determinarea de rutină a densității de azot gazos, obținut prin diferite metode (litru de azot din aerul cântăriți 1,257 g și obținute prin metode chimice # 150; 1,251 g), a condus la descoperirea remarcabilă # 150; Ar, în primul rând, și în spatele ei și alte gaze nobile.
În 1917, savantul german K.Sheringer a sugerat că atomii de elemente diferite sunt construite nu numai împotriva ei (din protos grecești # 150; mai întâi), adică masa „lumină“ hidrogen atomic 1, și diferite de izotopi de hidrogen. Până în acel moment a fost cunoscut faptul că unul și același element poate avea izotopi cu diferite mase. progrese impresionante în descoperirea unui număr mare de izotopi neradioactivi ale elementelor au ajuns fizicianul britanic Francis William Aston construit-le folosind spectrograf de masă. In acest dispozitiv atomii sau moleculele investigate sunt bombardate de un fascicul de electroni si devin ioni incarcati pozitiv. Fasciculul acestor ioni este apoi supus unui câmp electric și magnetic, iar calea lor deviate de la linia dreaptă. Această deviație este mai puternic, taxa mai ionică și cea mai mică masa. Din valorile obținute deflecție direct tensiuni masele relative ale ionilor. Iar intensitatea fasciculului de ioni, cu o masă dată poate judeca abundența relativă în eșantionul acestor ioni.
La sfârșitul anului 1931 un grup de fizicieni americani # 150; Harold Jyri cu elevii, Ferdinand Brickwedde și George Murphy a luat 4 litri de hidrogen lichid și supus distilării fracționate pentru a da reziduul de 1 ml, adică reducând cantitatea de timp în 4000. Acest ultim mililitru de lichid după evaporare și a fost investigată spectroscopic. spectroscopist Talentat Garold Kleyton Yuri observat în spectrograma de hidrogen îmbogățit linii noi foarte slabe sunt absente în hidrogen obișnuit. Poziția liniilor în spectrul corespund în efectuat exact calculul lor mecanicii cuantice a raportului atomic destinat a 2 H. linie nouă Intensități izotop (deuteriu Jyri a numit) și hidrogen obișnuit au arătat că, în eșantionul investigat noul izotop îmbogățit de 800 de ori mai puțin decât hidrogen obișnuit . Deci, în inițială de hidrogen izotop greu mai puțin. Dar cum?
Încercarea de a evalua așa-numitul factor de îmbogățire evaporarea hidrogenului lichid, cercetatorii au realizat ca in experimentele lor utilizate cel mai prost sursă posibilă de hidrogen. Faptul că a fost primit, ca de obicei, prin electroliza apei. Dar, în electroliza unui hidrogen de lumină trebuie să fie alocate mai repede decât grele. Se pare că proba a fost prima sărăcită de hidrogen greu, și apoi le îmbogățit!
Când neutronul a fost descoperit, a devenit clar că în nucleul deuteriu, spre deosebire de protiu, ca neutronul este în plus față de proton. Prin urmare, nucleul deuteriu # 150; deuteron de două ori mai grele ca protonul; greutatea sa în unități de carbon este egal cu 2.0141018. In medie, hidrogen naturală conține 0,0156% deuteriu. În apa de mare de coastă un pic mai mult în apele de suprafață de teren # 150; gaze naturale mai puțin # 150; chiar mai puțin (0,011 # 150; 0,013%). Prin proprietăți chimice similare cu deuteriu față, dar o mare diferență în masele lor duce la o marcantă a încetini reacțiile care implică atomi de deuteriu. Astfel, reacția deuterat hidrocarbură R # 150; D cu clor sau oxigen incetineste, in functie de temperatura, 5 # 150; 10 în comparație cu răspunsul R # 150; H. Cu ajutorul deuteriu poate „tag“ molecule care conțin hidrogen și pentru a studia mecanismele reacțiilor lor. Astfel, în particular, au fost studiate amoniac Reacția de sinteză a numărului de oxidare a hidrocarburilor procese importante.
Apa grea. După lucrarea fundamentală a Washburn și Urey studiu nou izotop a început să se dezvolte rapid. La scurt timp după descoperirea deuteriului în apă naturală a fost descoperit-o varietate de greu. Apa plată constă în principal din molecule 1 H 2 O. Cu toate acestea, în cazul în care hidrogenul este deuteriu naturală impuritate, apoi în impuritățile obișnuite de apă ar trebui să fie OND și D 2 O. Și dacă electroliza apei H2 este eliberată într-un ritm mai rapid decât HD și D 2. cu timpul în celula de electroliză trebuie să acumuleze apă grea. În 1933, Gilbert Lewis și chimistul fizic american Ronald McDonald a raportat că, ca urmare a electroliza prelungită cu apă obișnuită care nu au mai văzut pe nimeni ajunge la acest nou tip de apă # 150; apă grea.
În următoarea serie de experimente, 20 l de apă, de asemenea, în mai multe etape, a primit 0,5 ml de apă, cu o densitate de 1,075 conținând deja 65,7% D 2 O. Ca urmare a unor astfel de experimente, a fost posibil pentru a obține în final 0,3 ml de apă, densitatea în care (1.1059 la 25 ° C), nu mai crescut odată cu scăderea volumului electrolizei la 0,12 ml. Acestea și câteva picături au fost primii din istoria Pământului este aproape picătură pură de apă grea. Calculele corespondente au arătat că estimările anterioare ale raportului dintre hidrogen greu și convențional în natură au fost prea optimiste: sa constatat că, în apa obișnuită conține doar 0,017% (în greutate) de deuteriu, care dă raportul D: H = 1: 6800.
Pentru a primi cantități apreciabile de apă grea necesară pentru oamenii de știință de cercetare, a trebuit să fie supusă electrolizei este deja enorm în momentul în care volumul de apă obișnuită. De exemplu, în 1933 un grup de cercetători americani pentru a obține totalul de 83 ml D 2 O puritate de 99% -lea au deja ia 2,3 tone de apă, care se descompune în 7 etape. Era clar că astfel de metode oamenii de știință nu pot oferi toată lumea cu apă grea. Și apoi sa dovedit că apa grea este un excelent moderator de neutroni, și, prin urmare, pot fi utilizate în cercetarea nucleară, inclusiv construirea de reactoare nucleare. Cererea de apă grea a crescut atât de mult încât a devenit clar necesitatea producției industriale. Dificultatea constă în faptul că, pentru a obține 1 tonă de D2O este necesară prelucrarea aproximativ 40 de tone de apă cu 60 de milioane cheltuite kilowați-oră de electricitate # 150; atât de mult este cheltuit pe 3.000 de tone de aluminiu de topire!
Prima instalație pilot au fost subțire. In 1935 pentru instalarea în Berkeley da săptămânal 4 g de aproape pur D2O, care costa US $ 80 pe gram # 150; este foarte scump, atunci când ia în considerare faptul că de-a lungul ultimilor ani dolarul „a căzut“ de zeci de ori. Mai eficient a fost de configurare într-un laborator de chimie de la Universitatea Princeton # 150; a dat 3 g pe zi D2O cost de 5 $ per gram (după 40 de ani, costul apei grele a scăzut la 14 cenți per gram). Cele mai mari consumatoare de timp dovedit prima etapă a electrolizei, în care concentrația de apă grea a fost crescut la 5 # 150; 10%, deoarece este în acest moment este necesar pentru a procesa volume mari de apă obișnuită. Concentrarea suplimentară ar putea avea probleme să aibă loc în laborator. Prin urmare, beneficiile de a obține acele plante industriale care ar putea expune cantități mari de electroliză a apei.
masa moleculară D2O depășește 11% în greutate H2Q rezultate Această diferență diferențe substanțiale în caracteristicile fizice, chimice și, cel mai important, proprietățile biologice ale apei grele. Apa grea fierbe la 101.44 ° C, îngheață la 3,82 ° C, o densitate la 20 ° C 1.10539 g / cm 3. Densitatea și maximul nu are loc la temperatura de 4 ° C, în apă obișnuită și 11 2 ° C (1.10602 g / cm3). Cristale D2O au aceeași structură ca gheața convențională, dar acestea sunt mai grele (0,982 g / cm3 la 0 ° C, comparativ cu 0,917 g / cm3 pentru gheață convenționale). În amestec cu apă obișnuită, la un schimb izotopic de mare viteză are loc: H 2 O + D2O 2HDO. Prin urmare, în soluții diluate atomii de deuteriu sunt prezenți în principal ca HDO. În mediul de apa grea in mod semnificativ incetinirea reactii biochimice, iar această apă nu acceptă animale și a plantelor.
În prezent, o serie de metode eficiente de producere a apei grele: electroliza, schimb izotopic, arderea hidrogenului îmbogățit cu deuteriu. În prezent, apa grea a produs mii de tone anual. Este folosit ca moderator de neutroni și a lichidului de răcire în reactoarele nucleare (unul pentru umplerea mare reactor nuclear moderne 100 necesită # 150; 200 tone de puritate a apei grele de cel puțin 99,8%); pentru deutronilor D + în acceleratoare de particule; ca solvent în spectroscopie de rezonanță magnetică de proton (protoni apa obișnuită lubrifiază imaginea). Este posibil ca rolul apei grele va crește în mod semnificativ în cazul în care fuziunea industrială va fi efectuată.
„Bătălia pentru apă“. Pentru producția comercială a apei grele este foarte important pentru disponibilitatea de energie electrică ieftină. Deja înainte de război, a devenit clar că condițiile ideale pentru acest lucru sunt în Norvegia, care a lucrat mult timp un aparat de electroliză puternic pentru producerea hidrogenului. instalații de producere a apei grele a intrat în funcțiune în 1934; 1938 a produs 40 de kilograme de D2O în anul, și în 1939 # 150; în al doilea rând mai mult. La acel moment deja devine o importanță strategică enormă aparent de apă grea pentru dezvoltarea armelor nucleare. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că germanii au ocupat Norvegia mai 1940, a luat măsurile cele mai energice pentru planta păstrată secretă de apă grea și conservarea acestuia. Până la sfârșitul anului 1941, Germania a exportat din Norvegia 361 kg de pură D2O, și un an mai târziu # 150; deja 800 kg.