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Deuteron (d)

Eigenschaften [1]
elektrische Ladung e
(+1,602 · 10−19 C)
Masse 2,013 553 212 745(40) u
3,343 583 719(41) · 10−27 kg
3670,482 967 85(13) me
Ruheenergie 1875,612 928(12) MeV
magnetisches Moment 0,433 073 5040(36) · 10−26 J / T
g-Faktor 0,857 438 2311(48)
SpinParität 1+
Isospin 0 (z-Komponente 0)
mittlere Lebensdauer stabil

Als Deuteron (von altgriechisch δεύτερος deúteros „der Zweite“) wird der Atomkern des Deuteriums („Schweren Wasserstoffs“) bezeichnet. Sein Symbol ist d oder auch 2H+. Es besteht aus einem Proton und einem Neutron.

Deuteronen spielen eine Rolle bei Kernfusionsreaktionen in Sternen. Sie treten als Zwischenprodukt bei der Proton-Proton-Reaktion auf:

Zwei Protonen fusionieren zu einem Deuteron. Dabei werden ein Positron, ein Elektron-Neutrino und Energie freigesetzt.

Auch als Brennstoff zukünftiger Fusionsreaktoren werden Deuteronen benötigt.

Eine gemeinsame Bezeichnung für die Kationen der Wasserstoffisotope (Proton, Deuteron und Triton) ist Hydron.

Inhaltsverzeichnis

Kernphysikalische EigenschaftenBearbeiten

Die Bindungsenergie des Deuterons beträgt 2,225 MeV. Das ist relativ wenig bei einer Potentialtiefe der Kernkraft von rund 50 MeV und liegt daran, dass zwar die Bindungsenergie größer wird, wenn die beiden Nukleonen zusammenrücken, andererseits aber entsprechend der Unschärferelation die kinetische Energie der Nukleonen zunimmt.

Wellenfunktion im OrtsraumBearbeiten

Da das Deuteron das einfachste gebundene Nukleonensystem ist, wird es gerne zur Analyse der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung betrachtet. Sein Kernspin lässt sich aus Hyperfeinstrukturbeobachtungen zu 1 bestimmen und seine Parität ist positiv. Es hat ein von Null verschiedenes Quadrupolmoment. Demnach kann es nicht sphärisch, also kein reiner S-Zustand mit Bahndrehimpuls   = 0 sein. Da mit positiver Parität nur geradzahlige Bahndrehimpulse möglich sind (die Parität entspricht  ), andererseits der Spin 1 beträgt, muss ein D-Zustand mit   = 2 beigemischt sein. Dies weist auf die Tensorkomponente der Kernkraft hin. Die Wellenfunktion des Deuterons lässt sich dementsprechend darstellen als:[2]

 

Das heißt, der D-Wellenzustand geht mit einer Wahrscheinlichkeit   von 4 Prozent ein. Entsprechend liegt das magnetische Moment des Deuterons (mittels Kernspinresonanz zu µ = 0,8574µN bestimmt; µN ist das Kernmagneton) zwar nahe dem Wert für Proton und Neutron bei Bahndrehimpuls L=0, stimmt aber nicht exakt mit diesem überein. Die Differenz lässt sich durch die Beimischung von L=2 erklären. Die Tensorkomponente der Kernkraft erklärt auch das nicht verschwindende elektrische Quadrupolmoment von   Quadratmeter. Dieser positive Wert entspricht einem prolaten, also in die Länge gezogenen Rotationsellipsoid.

SpinBearbeiten

Beim Deuteron ist nur der Spin-Triplett-Zustand stabil. Der Singulett-Zustand (antiparallele Spins der Nukleonen) ist aufgrund der Spin-Abhängigkeit der Kernkraft nicht gebunden. Die Kernkraft ist bei antiparallelen Spins schwächer; Diproton und Dineutron, bei denen das Pauliprinzip die Parallelstellung ausschließt, sind dementsprechend nicht gebunden. Auch das Deuteron ist so schwach gebunden, dass keine angeregten gebundenen Zustände existieren.

IsospinBearbeiten

Im Isospin-Raum ist das Deuteron in einem Singulett-Zustand.[3] Wäre es in einem Triplett-Zustand, wären Diproton und Dineutron Teil des Tripletts; diese sind aber nicht gebunden.

GesamtwellenfunktionBearbeiten

Die Gesamtwellenfunktion setzt sich als Produkt der Wellenfunktionen im Ortsraum, Spinraum und Isospinraum zusammen und muss, da es sich um Fermionen handelt, antisymmetrisch bei Vertauschung der Nukleonen sein. Der Raumanteil ist symmetrisch (L=0), da wegen der kurzen Reichweite der Kernkraft die Nukleonen für einen Bindungszustand möglichst nah zusammenrücken müssen. Beim Isospin liegt ein Singulett vor (antisymmetrisch), beim Spin ein Triplett (symmetrisch).

Kernreaktionen mit DeuteronenBearbeiten

Die durchschnittliche Bindungsenergie eines Nukleons in einem Atomkern beträgt etwa 8 MeV. Die genannte Bindungsenergie des Deuterons ist im Vergleich dazu relativ klein. Das erklärt, warum sich mit Deuteronen, die in einem Teilchenbeschleuniger auf eine kinetische Energie von z. B. einigen MeV gebracht wurden, leicht Kernreaktionen der Typen (d,n) und (d,p) (Strippingreaktionen) sowie (d,np) (Deuteronen„aufbruch“) auslösen lassen. Darauf beruhen verschiedene Neutronenquellen, beispielsweise auch die geplante hochintensive Quelle IFMIF.

Die Reaktion

 

in Form eines thermonuklearen Prozesses wirkt in manchen Kernwaffen als Neutronen- und Energiequelle und soll in kontrollierter Weise in zukünftigen Fusionsreaktoren Nutzenergie liefern.

LiteraturBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus der Veröffentlichung der CODATA Task Group on Fundamental Constants: CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 25. Juli 2015 (englisch). Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes. Diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  2. Klaus Bethge, Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann: Kernphysik: Eine Einführung. Springer, 2007, ISBN 978-3-540-74566-2, S. 282 (google.com [abgerufen am 15. März 2011]).
  3. Robert Harr, Isospin Symmetry. Vorlesungsskript Elementarteilchenphysik, Wayne State University 2003