Читать книгу "Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов"

А вот зачем нужна тяжелая вода? И что это вообще такое?

Мы с вами уже знаем, что такое тяжелый и сверхтяжелый водород. Это дейтерий и тритий, то есть водород, у которого в ядре атома не одинокий протон, а протон с нейтроном (дейтерий) или даже с двумя нейтронами (тритий). Так вот, тяжелая вода — это вода, сделанная не из кислорода и водорода, как обычная вода, а из кислорода и тяжелого водорода. Если вода дейтериевая, она называется тяжелой, а если тритиевая — сверхтяжелой.

Молекулы тяжелой и сверхтяжелой воды всегда содержатся в очень небольшом количестве среди молекул обычной воды (на 7000 тысяч молекул обычной воды приходится одна тяжелая). Именно из обычной воды тяжелую воду и добывают путем обогащения — как из руды полезный материал. Правда, процесс этот долгий, нудный и весьма энергозатратный. Впервые небольшое количество тяжелой воды физиками было добыто в 1933 году — как раз в тот год, когда фашисты пришли к власти в Германии.

Поехали на воды!..

Любопытно, что свое название тяжелая вода вполне оправдывает, она действительно тяжелее обычной воды. А сверхтяжелая вода, соответственно, еще тяжелее. Сверхтяжелая вода замерзает при температуре +9 °C, а кипит при температуре +104 °C.

Ученые — существа любопытные. Им было интересно, как отнесутся к тяжелой воде живые существа. Выяснилось, что в небольших дозах — нормально. Человек может хлопнуть стакан-другой тяжелой воды, и ему ничего не будет. Другое дело, если все время поить животное только тяжелой водой.

Человек, как и прочие живые существа, примерно на 70 % состоит из воды. Все жизненные биохимические реакции в нашем теле идут в водном растворе. Когда мы пьем воду, она всасывается, проходит через все клеточки, принося туда вместе с собой питательные вещества в виде раствора. А затем выводит из клеточек продукты распада и отходы. Таким образом человек — большой сложный фильтр, который все время промывается. И что же будет, если начать его или другое живое существо «промывать» тяжелой водой?

Над людьми такие эксперименты, конечно, не ставились, но вот опыты над животными показали, что постепенное упорное замещение в организме обычной воды на тяжелую даром не проходит. Когда четверть всей воды, из которой состоит организм, заменена тяжелой, животное теряет способность к размножению. А когда концентрация тяжелой воды достигает половины, животное погибает. И этот эффект достигается всего за неделю.

Почему такое происходит? Казалось бы, какая разница организму, какая в нем вода? А все дело именно в тяжести. Поскольку в ядре атома тяжелого водорода вдвое больше нуклонов, молекулы тяжелой воды больше весят и потому чуть хуже и медленнее участвуют в биохимических реакциях, сбивая тонкие настройки организма, который сначала компенсирует эти изменения, а потом просто перестает справляться.

Не менее интересен вопрос, а сколько видов тяжелой воды существует?

Мы знаем два вида — тяжелая (в которой вместо водорода дейтерий) и сверхтяжелая вода (в которой вместо водорода тритий). Но!

Но в молекуле воды два атома водорода! Смекаете?

Вода обозначается химиками химической формулой Н2О, эта запись и означает, что в молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. А что если не оба атома водорода, а только один будет заменен дейтерием? Возможно такое?

Конечно!

Как правило, так и есть. Подобную воду — из водорода и дейтерия называют полутяжелой. И вероятность такого варианта как раз намного больше, чем вероятность того, что два столь редких изотопа, как дейтерий, встретятся с одной молекулой кислорода, чтобы образовать молекулу тяжелой воды. В природе чаще встречается вода полутяжелая.

Ученые люди обычный водород обозначают латинской буквой Н (от латинского слова Hydrargyrum), тяжелый водород обозначают значком D (дейтерий), а сверхтяжелый — значком Т (тритий).

А теперь попробуем написать все возможные комбинации, которые могут изотопы водорода образовывать с кислородом (О):

Н-О-Н обычная вода

D-O-H полутяжелая вода

D-O-D тяжелая вода

Т-О-Т сверхтяжелая вода

T-O-H не имеет специального названия, давайте назовем ее «сверхполулегкая» вода

D-O-T не имеет специального названия, предлагаю назвать ее «сверхполутяжелая» вода

Но и это еще не все, ребята! Ведь изотопы имеются не только у водорода, но и у кислорода! Помимо обычного кислорода-16, существуют еще стабильные изотопы О17 и О18. Вода с такими тяжелыми изотопами кислорода называется тяжелокислородной.

И если теперь записать все возможное количество комбинаций, которые могут составить между собой изотопы кислорода и водорода, получится 18 видов различных «вод». Причем 9 из них стабильные, а 9 других слаборадиоактивные.

Круто?

Так вот, тяжелая вода была нужна Гитлеру, точнее его физикам, как элемент технологического процесса при обогащении оружейного металла — в качестве замедлителя цепной реакции. А тяжелую воду в то время в мире производили только в одном месте — в Норвегии. Норвежцы еще до войны построили в горах под Осло завод по производству тяжелой воды — для лабораторных исследований этого вещества. Поскольку добыча тяжелой воды дело чрезвычайно энергоемкое, завод обеспечивала питанием целая электростанция, которая работала на дармовой энергии водопадов, которых в Норвегии — пруд пруди. Норвегию Гитлер благополучно захватил. Вместе с заводом.

За месяц завод вырабатывал всего 11 килограммов тяжелой воды. А нацистам нужно было несколько тонн, поэтому они дали задание резко повысить производительность. Это удалось сделать, и к 1942 году завод постепенно вышел на производство 4,5 тонн тяжелой воды в год.

Место, где волею судеб оказался завод, считалось неприступным, туда вела всего одна дорога, но фашисты все равно обнесли завод колючей проволокой и выставили охрану, которую несли несколько сотен автоматчиков. Завод прикрывали с воздуха батарея 88-миллиметровых зенитных орудий и несколько счетверенных зенитных установок калибром 20 мм. Радиолокаторов тогда еще не было, поэтому самолеты засекались на дальних подступах с помощью специальных рупоров-звукоуловителей.

Английская разведка донесла про интерес гитлеровцев к тяжелой воде. В Лондоне все сразу поняли и решили завод уничтожить. Но как? Производство находилось в ущелье, под защитой не только пушек и гор, но и многометрового бетонного слоя, поэтому разбомбить его с воздуха было не так-то просто. Решили послать диверсионную группу. И вот в ноябре 1942 года к Норвегии направились два английских бомбардировщика, которые тащили на буксире два планера с десантниками. План был такой — у берегов Норвегии безмоторные и потому бесшумные планеры отцепятся от буксиров, по-тихому подлетят и выбросят диверсантов, которые перебьют охрану и взорвут завод.