Разделение изотопов. 
Химия

Из-за неравных масс атомов изотопов свойства их соединений несколько различаются. Это относится к плотности, вязкости, коэффициенту диффузии, теплоемкости, теплопроводности, температуре и теплоте плавления, давлению насыщенного пара, теплоте испарения, температуре кипения и многим другим свойствам. Особенно заметны различия в физических и химических свойствах изотопов легких элементов. (В-1−51. Почему?) На этом основаны методы разделения изотопов.

В методе газовой диффузии, или эффузии, используется известная закономерность: скорости частиц обратно пропорциональны квадратному корню их мольной массы. (В-1−52. Как вы думаете, почему?) Поэтому скорость прохождения через пористые перегородки (мембраны) атомов и молекул легких изотопов выше по сравнению с тяжелыми. В результате пространство перед перегородкой обогащается тяжелым изотопом, а пространство за перегородкой — легким. Возможно, подобное разделение изотопов проходит между слоями земной коры.

Метод термодиффузии основан на том, что легкие частицы диффундируют в более теплое пространство, а тяжелые — в холодное. (В-1−53. Почему?) Разделительная колонка состоит из двух труб, расположенных одна в другой. Во внутренней трубе находится нагреватель. Различные температуры поверхностей труб создают разность концентраций изотопов или их соединений, а конвекция вверх у внутренней трубы поднимает обогащенную легким изотопом смесь. (В-1−54. Нарисуйте схему установки.).

Метод дистилляции, или фракционной перегонки, состоит в том, что более легкий изотоп (или его соединение) имеет по сравнению с тяжелым меньшее давление пара над жидкостью и более низкую температуру кипения и переходит в пар, а тяжелый изотоп концентрируется в жидкости. (В-1−55. Почему?) Например, тяжелая вода D₂0 кипит при 101,4°С, и ее получают методом дистилляции.

Центрифугирование применяется для разделения различных неоднородных смесей (суспензий, эмульсий). Изотопы разделяются вследствие разницы масс их атомов. Центрифуга — машина, в которой вращающимся ротором создается центробежная сила, в тысячи раз и более превосходящая земное тяготение. В центрифуге легкие частицы собираются вблизи центра вращения, а тяжелые — у периферии.

Центрифугирование применимо для разделения изотопов. Плотность тяжелой воды 1,106 г/мл (при 20°С), и этим методом можно получать тяжелую воду. Центрифугированием производят промышленное разделение изотопов урана, для чего используют газообразный гексафторид урана UF₆. Более тяжелые молекулы с ураном-238 накапливаются у наружних стенок центрифуги, а более легкие с ураном-235 собираются ближе к оси вращения. (В-1−56. Интересно было бы узнать, влияет ли вращение Земли на распределении изотопов между экватором и полюсами.).

Изотопы разделяются в струе газа, и это явление может быть использовано для концентрирования изотопов. При очень высокой скорости выхода струи газовой смеси изотопов происходит расширение потока, при этом тяжелые молекулы двигаются в центре, а легкие — на внешней стороне потока. (В-1−57. Почему?) Весьма вероятно, что подобное явление может сопровождать выбросы газов из вулканов и гейзеров, а также образование солнечных протуберанцев — громадных плазменных струй протяженностью в согни тысяч километров.

С научной и практической точек зрения интересен электромагнитный метод разделения изотопов. Ионы в магнитном поле движутся по окружностям с радиусами кривизны, пропорциональными корню квадратному из отношения массы иона к его заряду. (В-1−58. Почему?) Вследствие этого траектории тяжелых и легких ионов отличаются друг от друга, что и позволяет разделять ионы изотопов (рис. 1.2).

Смесь атомов изотопов или их соединений помещается в нагреваемый тигель. Образующиеся пары ионизируются электронами, испускаемыми раскаленной нитью, втягиваются в переменное эле;

Рис. 1.2. Схема разделения изотопов электромагнитным методом.

ктрическое поле, ускоряются и, пройдя через отверстия в двух пластинах под напряжением 1000 В, попадают в постоянное магнитное поле, где, описав полукруговые траектории различного радиуса, собираются в приемниках. Впервые этим методом были получены килограммовые количества урана-235. На электромагнитном принципе основано определение масс частиц масс-спектрометрами, в которых измеряется ионный ток, или масс-спектрографами, в которых спектр ионов регистрируется фотографическим способом.