imported>Wassermaus: /* Kernreaktionen mit Deuteronen */ Wenn Brauene zwerge erwähnt werden dann auch die Primordiale Nukleosynthese

2025-12-15T21:42:20Z

Kernreaktionen mit Deuteronen: Wenn Brauene zwerge erwähnt werden dann auch die Primordiale Nukleosynthese

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{{Infobox Teilchen
|name= Deuteron (d)
|hauptquelle= <ref>Die Angaben über die Teilcheneigenschaften der Infobox sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus der Veröffentlichung der [[CODATA]] Task Group on Fundamental Constants (2018): {{Internetquelle |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Results?search_for=helion |sprache=englisch |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2022-04-17}} Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.</ref>
|ladung_e= 1
|masse_u= 2,013 553 212 745(40)
|masse_kg= 3,343 583 7768(10) · 10−27
|masse_me= 3670,482 967 88(13)
|ruheenergie_mev= 1875,612 942 57(57)
|ladungsradius_rms_fm=2,12799(74)
|magnetisches_moment_jt= 4,330 735 094(11) · 10−27
|magnetisches_moment_mun= 0,857 438 2338(22)
|g_faktor= 0,857 438 2338(22)
|spinzahl= 1
|paritaet= +
|isospinzahl= 0
|isospin_z= 0
|lebensdauer= stabil
}}

Als '''Deuteron''' (von {{grcS|δεύτερον}} ''deuteron'', „das Zweite“) wird der [[Atomkern]] des [[Deuterium]]s („Schweren Wasserstoffs“) bezeichnet. Sein Symbol ist d oder auch 2H+. Er besteht aus einem [[Proton]] und einem [[Neutron]].

Deuteronen spielen eine Rolle bei [[Kernfusion]]s<nowiki />reaktionen in [[Stern]]en. Sie treten als Zwischenprodukt bei der [[Proton-Proton-Reaktion]] auf:

:<math>\mathrm{p + p \rightarrow d + e^+ + \nu_e + 0{,}42\ MeV}</math>
:Zwei Protonen fusionieren zu einem Deuteron. Dabei werden ein [[Positron]], ein [[Elektron-Neutrino]] und Energie freigesetzt.

Auch als Brennstoff zukünftiger [[Fusionsreaktor]]en werden Deuteronen benötigt.

Eine gemeinsame Bezeichnung für die [[Kation]]en der Wasserstoffisotope (Proton, Deuteron und [[Triton (Physik)|Triton]]) ist [[Hydron]].

== Kernphysikalische Eigenschaften ==

=== Bindungsenergie ===
Die [[Bindungsenergie]] des Deuterons beträgt 2,225 [[Elektronenvolt|MeV]]. Dies ist ein vergleichsweise niedriger Wert; bei stabilen Kernen sind normalerweise ca. 8 MeV zur Herauslösung eines Nukleons erforderlich. Der [[Kernphotoeffekt]] (Herauslösen eines Nukleons durch ein [[Photon]]) tritt beim Deuteron schon bei 2,23 MeV Photonenenergie auf.

Anders als bei den allermeisten Atomkernen, existieren beim Deuteron keine gebundenen angeregten [[Energieniveau]]s.

=== Spin und Parität ===
Aus [[Hyperfeinstruktur]]<nowiki />beobachtungen lässt sich der [[Kernspin]] <math>J = 1</math> (Triplett) bestimmen. Die [[Parität (Physik)|Parität]] <math>P</math> ist positiv. Dies lässt sich einfach erklären: Im niedrigsten Zustand haben Proton und Neutron die Bahndrehimpulsquantenzahl <math>L = 0</math> (''s''-Zustand), und die Kernkraft zwischen zwei Nukleonen ist größer, wenn ihre Spins parallel sind. Damit addieren sich die Spins vom Proton und Neutron zu 1 (Spin-[[Multiplizität|Triplett]]).

=== Isospin ===
Aufgrund des [[Pauli-Prinzip]] können zwei Protonen oder zwei Neutronen keinen Zustand mit Bahndrehimpuls 0 und parallelen Spins bilden. Daher gibt es zum Deuteron keine analogen [[Diproton]]- und [[Dineutron]]-Zustände. Das Deuteron ist demgemäß ein [[Isospin]]-Singulett (<math>I=0</math>).

=== Wellenfunktion im Ortsraum ===
Da das Deuteron das einfachste [[Gebundener Zustand|gebundene]] [[Nukleon]]en<nowiki />system ist, wird es gerne zur Analyse der [[Starke Wechselwirkung#Bindung zwischen Nukleonen|Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung]] betrachtet.

Die [[Quantenzahl]]en <math display="inline">J^P=1^+</math> sind die, die man für einen 3S1-Zustand ([[Bahndrehimpuls]] ''L'' = 0; Gesamtspin ''S'' = 1; Gesamtdrehimpuls ''J'' = 1) erwartet. Ein solcher Zustand wäre kugelsymmetrisch, das elektrische [[Quadrupol]]moment müsste dann Null sein und das [[Magnetisches Moment|magnetische Dipolmoment]] die Summe der Momente von Proton und Neutron <math display="inline">\mu_\mathrm p + \mu_\mathrm n = 2{,}793 \ \mu_\mathrm N - 1{,}913\ \mu_\mathrm N = 0{,}880 \ \mu_\mathrm N </math>.

Tatsächlich aber weicht das elektrische Quadrupolmoment mit <math>Q= 0{,}282 \,\,e\cdot\mathrm{fm}^2</math> von Null ab, und auch das magnetische Moment ist mit <math display="inline">0,857\ \mu_\mathrm N</math> geringfügig anders. Daraus folgt, dass es eine Beimischung eines anderen Zustands mit <math>L\ne 0</math> geben muss. Der einzige andere mögliche Zustand mit den gleichen Quantenzahlen <math display="inline">J^P=1^+</math> ist {{nowrap|1=3D1 (''L'' = 2).}} Aus den gemessenen Momenten ergibt sich<ref name="Bethge" /><ref name="Povh" />

:<math>|\psi_\mathrm d\rangle = 0{,}98\cdot|^3\mathrm S_1\rangle + 0{,}2\cdot|^3\mathrm D_1\rangle = \sqrt {p_\mathrm S} \cdot|^3\mathrm S_1\rangle + \sqrt {p_\mathrm D}\cdot|^3\mathrm D_1\rangle.</math>

Das heißt, der D-Wellenzustand geht mit einer Wahrscheinlichkeit <math>p_\mathrm D</math> von 4 % ein. Ein solcher Mischzustand ist nur möglich, weil die [[Starke Wechselwirkung#Bindung zwischen Nukleonen|Kernkraft]] keine reine [[Zentralkraft]] ist, sondern eine [[Tensor]]komponente hat. Der positive Wert des elektrischen Quadrupolmoments entspricht einem [[Verlängertes Ellipsoid|prolaten]], also in die Länge gezogenen [[Rotationsellipsoid]].

=== Gesamtwellenfunktion ===
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 Ortsraumanteil ist symmetrisch (geradzahliges ''L''). Beim Isospin liegt ein Singulett vor (antisymmetrisch), beim Spin ein Triplett (symmetrisch).

== Kernreaktionen mit Deuteronen ==
Die durchschnittliche Bindungsenergie eines Nukleons in einem Atomkern beträgt typischerweise etwa 8 MeV. Beim Deuteron aber ist die Bindungsenergie deutlich geringer. Das erklärt, warum sich mit Deuteronen, die in einem [[Teilchenbeschleuniger]] auf eine [[kinetische Energie]] von wenigen [[Elektronenvolt#Dezimale Vielfache|MeV]] gebracht wurden und dadurch die [[Coulombwall|Coulombbarriere]] überwinden können, leicht [[Kernreaktion]]en der Typen (d,n) und (d,p) (Strippingreaktionen) sowie (d,np) (Deuteronen„aufbruch“) auslösen lassen. Darauf beruhen verschiedene [[Neutronenquelle]]n, beispielsweise auch die geplante hochintensive Quelle [[IFMIF]].

Die Reaktion
:<math>{}^3\mathrm{H} + {}^2\mathrm{H} \,\rightarrow\, {}^4\mathrm{He} + {}\mathrm{n} + 17{,}6\,\mathrm{MeV}</math>
in Form eines [[thermonuklear]]en Prozesses wirkt in manchen [[Kernwaffe]]n als Neutronen- und Energiequelle und soll in kontrollierter Weise in zukünftigen [[Fusionsreaktor]]en Nutzenergie liefern.

Zu Beginn der [[Sternentstehung]] und in [[Brauner Zwerg|Braunen Zwergen]] ist das [[Deuteriumbrennen]], d. h. die Fusion von Deuteronen untereinander oder mit Protonen, die erste bzw. einzige Fusionsreaktion, die stattfindet, weil sie bei vergleichsweise niedriger Temperatur im Megakelvin-Bereich einsetzen kann. In der Sonne und generell in den Sternen der [[Hauptreihe]] entstehen Deuteronen als Zwischenprodukt, reagieren aber binnen Sekunden mit anderen Kernen. Daher stammt alles Deuterium im Universum aus der [[Primordiale Nukleosynthese|primordialen Nukleosynthese]] in den ersten Minuten nach dem [[Urknall]].

== Literatur ==
{{Siehe auch|Kernphysik|Kernreaktion|Teilchenbeschleuniger}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Bethge">
{{Literatur
|Autor=[[Klaus Bethge]], Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann
|Titel=Kernphysik: Eine Einführung
|Verlag=Springer
|Datum=2007
|ISBN=978-3-540-74566-2
|Seiten=282}}
</ref>
<ref name="Povh">[[Bogdan Povh]], Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche: ''Teilchen und Kerne.'' 8. Auflage. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-68075-8.
</ref>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4149232-8}}

[[Kategorie:Kernchemie]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Ion]]
[[Kategorie:Boson]]
[[Kategorie:Zusammengesetztes Teilchen]]

Deuteron - Versionsgeschichte

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