Welche Form hat ein Deuteriumkern?

Da der Beitrag nach der Form des Deuterons fragt, basiert diese Antwort eher auf einem Bild als auf einer physischen Beschreibung.

Deuterium Physics Central

Dominiert von drei Komponenten, die die Wechselwirkungen der Quarkkomponenten Neutron und Proton beschreiben, ist seine Form nicht kugelförmig. Jüngste Tests haben keine Abweichungen in den Vorhersagen der Standard-Kernphysik gezeigt.

Von Jefferson Lab Deuterium

Die Struktur des Deuterons, des Kerns des Deuteriumatoms, ist für Kernphysiker von größter Bedeutung. Das Deuteron ist ein gebundener Zustand aus einem Proton und einem Neutron, und es ist der Kern, der am häufigsten bei Messungen der Neutronenstruktur verwendet wird. Untersuchungen des Deuterons haben dazu beigetragen, die Rolle nichtnukleonischer Freiheitsgrade in Kernen und die Korrekturen aus der Relativitätstheorie zu bestimmen. Eine kürzlich durchgeführte Serie von Jefferson Lab-Messungen konzentrierte sich auf die Rolle von Quarks in der Struktur des Deuterons. Bei Hochenergie- und Impulstransfer wird das Deuteron auf einer Längenskala untersucht, die kleiner ist als die Nukleonengröße, und auf einer Energieskala, bei der sich das physikalische Bild vereinfacht – indem eher Quarks als zahlreiche Baryonenresonanzen berücksichtigt werden.

Von Deuteron auf Wikipedia

Das Deuteron hat Spin +1 („Triplett“) und ist somit ein Boson. Die NMR-Frequenz von Deuterium unterscheidet sich signifikant von gewöhnlichem leichtem Wasserstoff. Die Infrarotspektroskopie unterscheidet auch leicht viele deuterierte Verbindungen aufgrund des großen Unterschieds in der IR-Absorptionsfrequenz, die bei der Schwingung einer chemischen Bindung, die Deuterium enthält, im Vergleich zu leichtem Wasserstoff zu sehen ist. Die beiden stabilen Isotope von Wasserstoff können auch durch Massenspektrometrie unterschieden werden.

Das Triplett-Deuteron-Nukleon ist bei EB = 2,23 MeV kaum gebunden, sodass alle höheren Energiezustände nicht gebunden sind. Das Singulett-Deuteron ist ein virtueller Zustand mit einer negativen Bindungsenergie von ~60 keV. Es gibt kein solches stabiles Teilchen, aber dieses virtuelle Teilchen existiert vorübergehend während der unelastischen Neutron-Proton-Streuung, was den ungewöhnlich großen Neutronen-Streuquerschnitt des Protons erklärt.

Dies ist ein erweiterter Kommentar zur Antwort von count_to_10. Bitte stimmen Sie dieser Antwort zu, nicht dieser.

Es ist verlockend zu glauben, dass ein Deuteriumkern, weil er aus zwei verschiedenen Teilchen besteht, einem positiven und einem neutralen, notwendigerweise asymmetrisch sein muss. Aber auch ein Wasserstoffatom besteht aus zwei verschiedenen Teilchen, einem positiven und einem negativen, und ist kugelsymmetrisch. Der Grund für die sphärische Symmetrie des Wasserstoffatoms liegt darin, dass Proton und Elektron beide delokalisiert sind.

Das gleiche Argument gilt für den Deuteriumkern, außer dass die starke Kernkraft keine zentrale Kraft ist, sondern von der Ausrichtung abhängt, sodass wir keine Kugelsymmetrie erwarten sollten. Es wird nicht ein Ende des Kerns geben, das das Proton ist, und das andere Ende, das das Neutron ist, weil beide Teilchen delokalisiert sind. Tatsächlich ist der Deuteriumkern, wie count_to_10 beschreibt, axialsymmetrisch und zentrosymmetrisch. Das bedeutet, dass die beiden Enden identisch sind – es gibt kein Neutronenende und kein Protonenende.

Das Deuteron hat einen Effektivladungsradius$r=2.14$fm und einem statischen elektrischen Quadrupolmoment$Q_0=0.2859\ e\cdot\text{fm}^2$. Dies hängt mit dem Kerndeformationsparameter zusammen$\beta$, die ausgedehnte, annähernd ellipsoidische Verformungen beschreibt, durch

$$\beta \approx 0.080\frac{Q_0}{e\cdot r^2} \approx 0.050.$$

Die Kernform wird bei dieser Parametrisierung durch die Oberfläche definiert

$$\frac{R}{R_0} = 1+\beta Y_{20}(\theta),$$

was das Verhältnis der langen Achse zu den kurzen Achsen angibt

$$\frac{\text{long}}{\text{short}} \approx 1+\frac{3}{4}\sqrt{\frac{5}{\pi}}\beta \approx 1.047.$$

Das Deuteron ist also fast kugelförmig, wobei seine lange Achse etwa 5% länger ist als seine kurzen Achsen.

Dies liegt daran, dass die dominierende Komponente der Kernwellenfunktion eine ist, bei der das Neutron und das Proton jeweils einen Bahndrehimpuls 0 (und einen Gesamteigenspin 1) haben, während eine kleine Beimischung eines Zustands mit einem Bahndrehimpuls 1 (und einem Eigenspin) vorliegt 0).