§ 202. Разделение изотопов. Тяжелая вода

Все изотопы данного элемента вступают в одни и те же химические реакции и образуют химические соединения, почти неотличимые по растворимости, летучести и подобным свойствам, используемым в химии для разделения элементов. Поэтому обычные химические методы разделения, основанные на различиях в поведении веществ при химических реакциях, непригодны для отделения друг от друга изотопов одного и того же элемента. Разделение изотопов представляет собой ввиду этого задачу, несравненно более трудную, чем разделение элементов.

Мы уже знакомы с одним из способов разделения изотопов: именно эту задачу решает масс-спектрограф, на фотопластинке которого каждый изотоп откладывается в виде особой полоски. Однако производительность прибора, изображенного на рис. 351, ничтожна. Для получения весомых количеств разделенных изотопов употребляют масс-спектрографы, отличающиеся как конструкцией, так и гораздо большими размерами (рис. 353). Естественно, приемником в этих приборах служит уже не фотопластинка, а специальные сосуды со щелями в местах попадания ионов (рис. 354).

Рис. 353 Фотография одной из первых установок для электромагнитного разделения изотопов (производительность — несколько миллиграммов в день): 1 — ионный источник, 2 — электромагнит, 3 — вакуумная камера, в которой ионы совершают четверть оборота по Окружности; справа внизу поперечное сечение электромагнита

Рис. 354. Схема приборов для разделения изотопов: 1 – источник ионов, 2 и 3 – диафрагмы, 4 – приемник для легкого изотопа, 5 – приемник для тяжелого изотопа,  - напряжение, ускоряющее ионы изотопа

В последние десятилетия задача разделения изотопов приобрела большое значение в производстве ядерной (атомной) энергии (§ 228). В связи с этим получили развитие и другие методы разделения изотопов. Большинство этих методов использует тот факт, что в газовой или жидкой смеси средняя кинетическая энергия различных частиц одинакова, и следовательно, чем меньше масса частицы, тем (в среднем) больше ее скорость. Ввиду этого атомы легкого изотопа обладают в среднем большей скоростью, чем атомы тяжелого изотопа, и быстрее диффундируют через пористые перегородки, в растворах и т. п.

Важной для физики и техники разновидностью водорода является мало распространенный в природе изотоп с массой 2, так называемый тяжелый водород, или дейтерий (химический символ  или ). Соединяясь с кислородом, тяжелый водород образует воду  с молекулярной массой  — тяжелую коду. Тяжелая вода по своим свойствам заметно отличается от обычной воды. Так, при нормальном давлении температура замерзания тяжелой воды , температура кипения . Биологические процессы в тяжелой воде протекают иначе, чем в обычной. Тяжелая вода непригодна поэтому для питания земных организмов, приспособившихся к обычной воде. Сравнительно большое различие свойств обычного и тяжелого водорода, а вместе с тем обычной и тяжелой воды обусловлено тем, что атом тяжелого водорода вдвое тяжелее атома легкого, тогда как в других элементах масса тяжелого изотопа лишь незначительно превосходит массу легкого изотопа (например, для неона только на ).

При электролизе тяжелая вода разлагается медленнее обычной. Это явление используется как один из способов получения тяжелой воды. Выделение тяжелой воды представляет собой довольно трудную задачу, так как относительное содержание ее в обычной воде ничтожно мало — около сотой доли процента.