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

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.

Операция полностью провалилась! При подлете буксирующие бомбардировщики попали в зону сложных метеоусловий, из-за пурги и потери видимости один самолет потерпел крушение, врезавшись в гору. У второго обледенел и потому оторвался сильно отяжелевший буксировочный трос. В результате планер совершил аварийную посадку, а экипаж самолета дал на базу открытым текстом тревожную радиограмму, которую, разумеется, перехватили немцы и тоже не на шутку встревожились: а что это в Норвегии делают английские военные самолеты? После чего выслали вооруженный отряд на прочесывание местности. Этот отряд и отловил английских диверсантов, которых по законам военного времени расстреляли, к большому неудовольствию немецкой тайной полиции – гестапо. В гестапо считали, что с расстрелом поторопились, нужно было применить к пленникам пытки и узнать, зачем их послали в Норвегию.

А англичане решили немного переменить тактику. Они заслали в Норвегию диверсантов-парашютистов, и те вошли в контакт с силами норвежского Сопротивления. Норвежцы провели диверсантов к секретному заводу по подземному туннелю, через который тянулись кабели. Под емкости с тяжелой водой были заложены несколько десятков килограммов взрывчатки, и вскоре огромный взрыв сотряс стены завода.

Разрушения были огромны. А главное – пропали все запасы тяжелой воды. Раздосадованным немцам потребовалось целых полгода, чтобы восстановить производство. На сей раз они усилили меры безопасности так, что никакие диверсанты на завод проникнуть уже не могли.

Англичане снова взялись за голову и начали думать, что же делать в такой ситуации. И придумали. Тяжелую воду отправляли в Германию на кораблях. Нельзя уничтожить ее на заводе, так давайте топить корабли!.. Норвежские подпольщики сообщали английской разведке, когда и на каком судне повезут очередную партию тяжелой воды, и англичане устраивали налет, стараясь затопить судно.

А параллельно решили попробовать все-таки тот вариант, от которого отказались вначале – бомбардировку завода. И в ноябре 1943 года направили на этот маленький заводик целых 140 бомбардировщиков, которые сбросили 80 бомб. Но завод, удачно расположенный и защищенный, уцелел. Была разрушена только электростанция.

Не дожидаясь второго налета, который мог оказаться более удачным, немцы решили от греха подальше перевезти всю наработанную к тому времени тяжелую воду в Германию. На тот момент ее скопилось на складе 15 тонн. Перевозить цистерны должны были на корабле «Гидро», о чем английской разведке стало известно. Они отдали приказ норвежским подпольщикам взорвать корабль. И те сделали это, пронеся на борт бомбу с часовым механизмом – несмотря на то, что на судне плыли ни в чем не повинные мирные граждане. Они погибли вместе с кораблем.

Правда, по всей видимости, немцам удалось-таки обмануть английскую разведку! Когда в 2006 году норвежские водолазы обследовали затонувший «Гидро», на его борту обнаружили не 15, а всего полтонны тяжелой воды. А где остальные 14,5 тонн? По всей видимости, погрузка на «Гидро» была отвлекающим маневром для английской разведки, а тяжелую воду немцы переправили в Германию каким-то другим способом.