Тяжёлая вода (также оксид дейтерия) — обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.
Нахождение в природе
В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400 атомов протия. Почти весь он находится в составе молекул полутяжёлой воды DHO, одна такая молекула приходится на 3200 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D2O, поскольку вероятность двух атомов дейтерия встретиться в составе одной молекулы в природе мала (примерно 0,5×10−7). При искусственном повышении концентрации дейтерия в воде эта вероятность растёт.
История открытия
Американский физико-химик Гарольд Юри (1893-1981), в молодости проявлявший большой интерес к ядерной структуре вещества, решил использовать спектроскопический метод для изучения водорода. Выполненные Г. Юри теоретические расчеты убедили, что попытки разделения водорода на изотопы могут привести к интересным результатам - к выявлению нового стабильного изотопа водорода, существование которого предсказал ещё Э. Резерфорд. Руководствуясь этими соображениями, Г. Юри поручил одному из своих учеников выпарить 6 л жидкого водорода, и в конце эксперимента исследователи получили остаток объемом около 3 см3. Самое удивительное, что в результате спектрального анализа остатка было найдено такое же расположение линий, какое было предсказано Г. Юри на основе теоретических предпосылок. Тяжелый водород - дейтерий был открыт.
Об этом Г. Юри сообщил в 1931 году на новогоднем собрании Американской Ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. Дальнейшие усилия ученого были направлены на получение образца с высокой концентрацией дейтерия. Это удалось сделать с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов. Разные упругости пара H2 и HD позволили Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи доказать существование дейтерия. Опубликованная Г. Юри совместно с сотрудниками работа произвела ошеломляющее впечатление на ученых самых различных областей науки. Многие специалисты воспринимали это известие как что-то фантастическое и спорное, но экспериментальные факты показывали, что тяжелый изотоп водорода реально существует.
Дейтерий начал свой сложный путь, а Г. Юри была вручена Нобелевская премия (1934). После открытия дейтерия события развивались очень быстро. Дело было только за экспериментом, но это оказалось весьма сложной технической задачей. Тяжелая вода была впервые обнаружена в природной воде Г. Юри и Э.Ф. Осборном в 1932 году.
Академик Н.Д. Зелинский, узнав об открытии тяжелой воды, писал в 1934 году: "Кто бы мог подумать, что в природе существует еще другая вода, о которой мы до прошлого года ничего не знали, вода, которую в весьма небольшом количестве мы ежедневно вводим в свой организм вместе с питьевой водой. Однако небольшие количества этой новой воды, потребляемые человеком в течение жизни, составляют уже порядок величины, с которым нельзя не считаться". Развивая свою мысль, продолжал: В эволюции химических форм в биосфере и литосфере тяжелая вода не может не принимать участия, и вопрос о том, в какой стадии такого эволюционного процесса находится тяжелая вода в нашу эпоху, в стадии накопления ее в природе или в стадии деградации, представляется весьма важным и с точки зрения обмена веществ в живых организмах, в котором вода играет первостепенную роль. Все живое проводит через свой организм громадные массы обыкновенной воды, а вместе с ней и тяжелую воду; какое же влияние оказывает последняя на жизненные функции организма? Пока это неизвестно, но такое влияние должно быть несомненным.
Биологическая роль и физиологическое воздействие
Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими (мыши, крысы, собаки) показали, что замещение 25 % водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, иногда необратимой. Более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного; так, млекопитающие, которые пили тяжёлую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают лишь при 90 % дейтерировании воды в теле. Простейшие способны адаптироваться к 70% раствору тяжёлой воды, а водоросли и бактерии способны жить даже в чистой тяжёлой воде. Человек может без видимого вреда для здоровья выпить несколько стаканов тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.
Таким образом, тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, например, поваренная соль. Тяжёлая вода использовалась для лечения артериальной гипертензии у людей в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на кг веса пациента.
Тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Российские исследователи давно обнаружили, что тяжелая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. А вот вода со сниженной до 50% концентрацией дейтерия (так называемая "бездейтериевая" вода) обладает антимутагенными свойствами, способствует увеличению биомассы и количества семян, ускоряет развитие половых органов и стимулирует сперматогенез у птиц.
За рубежом пробовали поить тяжелой водой мышей со злокачественными опухолями. Та вода оказалась по настоящему мертвой: и опухоли губила, и мышей. Различные исследователи установили, что тяжелая вода действует отрицательно на растительные и живые организмы. Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, треть которой была заменена тяжелой водой. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали. И наоборот, снижение содержания дейтерия на 25% ниже нормы в воде, которую давали животным, благотворно сказалось на их развитии: свиньи, крысы и мыши дали потомство, во много раз многочисленнее и крупнее обычного, а яйценосность кур поднялась вдвое.
Тогда Российские исследователи взялись за "облегченную" воду. Эксперименты проводили на 3 моделях перевиваемых опухолей: карцинома легких Льюис, быстро растущая саркома матки и рак шейки матки, который развивается медленно. "Бездейтериевую" воду исследователи получали по технологии, разработанной в Институте космической биологии. В основе метода лежит электролиз дистиллированной воды. В опытных группах животные с перевитыми опухолями получали воду с пониженным содержанием дейтерия, в контрольных группах - обычную. Животные начали пить "облегченную" и контрольную воду в день перевивки опухоли и получали ее до последнего дня жизни.
Вода с пониженным содержанием дейтерия задерживает появление первых узелков на месте перевивки рака шейки матки. На время возникновения узелков других типов опухоли облегченная вода не действует. Но во всех опытных группах, начиная с первого дня измерений и практически до завершения эксперимента, объем опухолей был меньше, чем в контрольной группе. К сожалению, хотя тяжёлая вода и тормозит развитие всех исследованных опухолей, жизнь экспериментальным мышам она не продлевает.
И тогда раздались голоса в пользу полного изъятия дейтерия из употребленной в пищу воды. Это привело бы к ускорению обменных процессов в организме человека, а, следовательно, к увеличению его физической и интеллектуальной активности. Но вскоре возникли опасения, что полное изъятие из воды дейтерия приведет к сокращению общей длительности человеческой жизни. Ведь известно, что наш организм почти на 70% состоит из воды. И в этой воде 0,015% дейтерия. По количественному содержанию (в атомных процентах) он занимает 12-е место среди химических элементов, из которых состоит организм человека. В этом отношении его следует отнести к разряду микроэлементов. Содержание таких микроэлементов как медь, железо, цинк, молибден, марганец в нашем теле в десятки и сотни раз меньше, чем дейтерия. Что же случится, если удалить весь дейтерий? На этот вопрос науке еще предстоит ответить. Пока же несомненным является тот факт, что, меняя количественное содержание дейтерия в растительном или животном организме, мы можем ускорять или замедлять ход жизненных процессов.
Использование
В течение непродолжительного времени после открытия Юри тяжелая вода рассматривалась лишь как химический курьез. Но в это же самое время известный итальянский физик Энрико Ферми проводил эксперименты в области ядерной физики, составившие эпоху в науке. Результаты этих опытов обнаружили огромное военное и экономическое значение тяжелой воды. Ферми и его сотрудники в 1934 г. подвергали различные элементы обстрелу нейтронами, обладавшими большой энергией (скоростью). В результате были получены атомы с искусственной радиоактивностью, или так называемые радиоизотопы. Ферми установил, что почти каждый нерадиоактивный в нормальных условиях элемент можно сделать радиоактивным, т.е. превратить его в радиоизотоп, с помощью обстрела нейтронами. Он нашел также, что общая эффективность бомбардировки нейтронами с целью вызвать искусственную радиоактивность значительно увеличивалась с уменьшением их скорости.
Подобно электрону и фотону света, нейтрон обнаруживает свойства частицы, но его движению присущи также свойства волны. Он обладает длиной волны, которая физически определяет его "размер", и эта длина волны изменяется обратно пропорционально его частоте. Чем ниже частота, являющаяся мерой энергии нейтрона, тем больше длина волны. Нейтрон с низкой энергией (маленькой скоростью), например с энергией в 0,1 эв, будет иметь длину волны или "размер", превышающую более чем в 10 000 раз диаметр атомного ядра. Очевидно, что такой замедленный нейтрон, проходя через скопление атомов, имеет больше шансов удариться (задеть) об ядро, чем более быстрый электрон. Имеется также больше вероятия, что такой электрон будет "захвачен", или поглощен, ядром, которое он заденет. Но как может ядро поглотить предмет, в 10 000 раз превышающий его по своим размерам? Здесь снова следует припомнить, что в данном случае мы имеем дело с волновыми характеристиками нейтрона. Внутри ядра нейтрон приобретает энергию примерно в 50 млн. в с соответствующим огромным увеличением своей частоты, которая обратно пропорциональна длине волны. При увеличении частоты длина волны уменьшается. Нейтрон, поглощенный таким образом ядром, вызывает нарушение ядерного равновесия, в результате чего начинается радиоактивное излучение. Другими словами, создается радиоизотоп.
Вскоре после открытия Ферми и его сотрудников немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что поглощение нейтронов ядрами урана вызывает расщепление, или деление, этих ядер. Оба осколка ядра, вместе взятые, имеют меньшую массу, чем первоначальное ядро, а поскольку разница в массе превращается в кинетическую энергию в количестве, определяемом соотношением между массой и энергией Альберта Эйнштейна (E=mc2), то оба осколка разлетаются в стороны с колоссальной скоростью. При этом они испускают два или три нейтрона, которые сверхтяжелый атом урана имеет во множестве. Каждый выпущенный нейтрон теоретически может расщепить любое способное к расщеплению ядро, какое он встретит на своем пути; в результате такого столкновения высвободятся еще два или три нейтрона. Другими словами, процесс расщепления, или деления, ядер может стать самопроизвольным, самораспространяющимся: может начаться так называемая цепная реакция. Дальнейшие опыты вскоре показали, что из трех изотопов урана расщепление происходит почти исключительно лишь у ядер урана U235, который при нормальных условиях составляет всего лишь 0,7% обыкновенного урана. Как и следовало ожидать из исследований Ферми, расщепление урана U235 происходило наиболее эффективно под воздействием замедленных нейтронов. Было установлено, что для возбуждения цепной реакции в обыкновенном уране необходимо иметь большой запас весьма замедленных нейтронов. Нейтроны, обладающие большой скоростью, с энергией в миллионы электронвольт, также иногда случайно расщепляют урановые атомы, но это происходит не настолько часто, чтобы вызвать цепную реакцию. Нейтроны с умеренной энергией (в несколько электронвольт) представляют собой осколки урана U235, но они подвергаются захвату ядрами урана U238 - изотопа, составляющего около 99% обыкновенного урана. Захват их ураном U238 исключает их, так сказать, из обращения, поскольку уран U238 не расщепляется, а, наоборот, стремится приобрести устойчивость, выделяя из себя один электрон (это, разумеется, увеличивает ядерный заряд на единицу, превращая уран с атомным числом 93 в плутоний с атомным числом 94). Для расщепления требуются "тепловые" нейтроны, названные так потому, что их энергия, равная примерно 0,02 эв, не превышает энергии нормального теплового движения атомов, среди которых они перемещаются. Тепловые нейтроны не только легко расщепляют U235, но они не подвержены также захвату ураном U238. Они отличаются, кроме того, значительными размерами, перемещаясь среди атомов урана U238, они с большей вероятностью могут встретиться с легко расщепляющимся ураном U235. Все это делает возможным возникновение самопроизвольной цепной реакции в обычном уране, несмотря на то, что он содержит лишь 0,7% урана U235, при условии, однако, что имеется какой-то способ для замедления нейтронов, испускаемых при расщеплении урана U235. Необходим так называемый "замедлитель" - такое вещество, которое могло бы поглощать излишнюю энергию нейтронов, не захватывая самих нейтронов.
Движение нейтрона будет резко замедлено, если он столкнется с ядром, вес которого лишь ненамного превышает его собственный; при этом нейтрон сообщит часть своей энергии частице, с которой он столкнулся, совершенно так же, как это происходит с биллиардным шаром при его ударе о другой шар. Это предопределяет возможность использования в качестве замедлителя водородных соединений, в частности, воды. Поскольку ядро простого водорода, состоящее из одного лишь протона, имеет ту же самую массу, что и нейтрон, оно способно принять на себя при столкновении значительную часть энергии нейтрона. Но, к сожалению, ядро простого водорода не только частично поглощает энергию нейтрона, но часто захватывает и сам нейтрон, превращаясь в ядро атома дейтерия. Поэтому обыкновенная вода как замедлитель малоэффективна. Зато лучшими свойствами обладает тяжелая вода. Ядра дейтерия, состоящие из одного нейтрона и одного протона, с трудом поглощают нейтроны, но легко воспринимают при столкновении значительные количества энергии нейтронов. Таким образом, тяжелая вода D2O является очень эффективным замедлителем, наиболее эффективным среди всех известных нам веществ. Чтобы отдать свою энергию и стать "тепловым", для взаимодействия с урана U235, нейрону достаточно 25 столкновений с ядром дейтерия, а например при столкновении с ядром углерода (графитовые стержни) потребуется 110 столкновений.
Но у тяжелой воды есть потенциал сталь гораздо более полезной, чем замедлитель нейронов. При очень высоких температурах может произойти нечто совершенно противоположное расщеплению ядра. Теплота является энергией движения, и при достижении ею некоторого предела ядерная энергия настолько возрастает, что она может преодолеть электростатические силы, которые при более низких температурах вызывают отталкивание двух положительных зарядов. Так возникнет новое ядро путем слияния двух ядер в результате так называемой термоядерной реакции. Однажды начавшись в среде легких атомов, она будет развиваться дальше подобно цепной реакции: ядро, образовавшееся в результате слияния, имеет несколько меньшую массу, чем оба исходных ядра; разница в массе преобразуется в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна, выражающим соотношение между массой и энергией (E=mc2); часть этой энергии передается другим ядрам, вызывая их слияние. Но как получить необходимую для термоядерной реакции начальную температуру, измеряемую миллионами градусов? Раньше такую температуру можно было получить лишь на короткий миг во время взрыва урановой или плутониевой атомной бомбы. Поэтому у всех водородных бомб в качестве "запала" применялись атомные бомбы, действующие по принципу ядерного распада. Когда будут найдены способы дешевого и безопасного получения необходимой начальной температуры и способы её локализации, то наступит время, когда ядерное слияние в качестве источника промышленной энергии окажется экономически более выгодным, чем ядерный распад. Одно из его крупных преимуществ заключается в том, что управляемое слияние не будет давать опасных радиоактивных отходов. Другое его преимущество состоит в том, что топливо для слияния в противоположность топливу для распада имеется на Земле в огромных количествах.
Физики ядерщики определили, что ядра дейтерия особенно легко подвергаются слиянию. Поэтому значение дейтерия все возрастает по мере приближения того времени, когда запасы ископаемого топлива на Земле будут исчерпаны. Запасы же ядерного горючего в Мировом океане практически безграничны. Дейтерий, содержащийся в 1 л морской воды, заключает энергию, эквивалентную энергии около 350 л бензина. Теоретически воды океанов и морей могут обеспечить человечество источником энергии на миллиарды лет.