Deuteron (d)

Eigenschaften [1]
elektrische Ladung e
(+1,602 · 10−19 C)
Masse 2,013 553 212 745(40) u
3,343 583 7724(10) · 10−27 kg
3670,482 967 88(13) me
Ruheenergie 1875,612 942 57(57) MeV
magnetisches Moment 4,330 735 094(11) · 10−27 J / T
0,857 438 2338(22) μN
g-Faktor 0,857 438 2338(22)
SpinParität 1+
Isospin 0 (z-Komponente 0)
mittlere Lebensdauer stabil

Als Deuteron (von altgriechisch δεύτερον deuteron, „das 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.

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 J lässt sich aus Hyperfeinstrukturbeobachtungen zu 1 bestimmen, und seine Parität P ist positiv. Dies sind die Quantenzahlen, die man für einen 3S1-Zustand (Bahndrehimpuls L = 0; Gesamtspin S = 1; Gesamtdrehimpuls J = 1) erwartet. Ein solcher Zustand wäre kugelsymmetrisch, das elektrische Quadrupolmoment müsste dann Null sein und das magnetische Dipolmoment die Summe der Momente von Proton und Neutron  .

Tatsächlich aber weicht das elektrische Quadrupolmoment mit   von Null ab, und auch das magnetische Moment ist mit   geringfügig anders. Daraus folgt, dass es eine Beimischung des 3D1-Zustands (L = 2), des einzigen anderen Zustands mit denselben Quantenzahlen JP, gibt. Rechnerisch ergibt sich[2]

 

Das heißt, der D-Wellenzustand geht mit einer Wahrscheinlichkeit   von 4 % ein. Ein solcher Mischzustand ist nur möglich, weil die Kernkraft keine reine Zentralkraft ist, sondern eine Tensorkomponente hat. Der positive Wert des elektrischen Quadrupolmoments 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 (vorwiegend 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. (Nicht mehr online verfügbar.) National Institute of Standards and Technology, archiviert vom Original am 3. März 2014; abgerufen am 4. Juli 2019 (englisch).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/physics.nist.gov 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.
  3. Robert Harr: Isospin Symmetry. Vorlesungsskript Elementarteilchenphysik, Wayne State University 2003 (hep.physics.wayne.edu).