Stern-Gerlach-Experiment mit Wasser

  • 21. January 2011

Ortho- und Parawasser wurden erstmals mit einem Magnetfeld voneinander getrennt.

 

Wie der molekulare Wasserstoff, so hat auch das Wasser zwei verschiedene Kernspinisomere. Beim Orthowasser sind die Kernspins der beiden Protonen des Wassermoleküls parallel ausgerichtet, beim Parawasser antiparallel. Dies sollte den beiden Wassersorten unterschiedliche physikalische Eigenschaften verleihen, was aber experimentell noch kaum erforscht wurde. Denn die Trennung von Ortho- und Parawasser steht noch immer vor großen Problemen, während es schon seit langem effiziente Methoden zur Separation der Kernspinisomere des Wasserstoffs gibt. Jetzt haben israelische Forscher die beiden Wassersorten mit einem Magnetfeld voneinander getrennt.

Gil Alexandrowicz und seine Kollegen vom Technion in Haifa haben sich bei ihrer magnetischen Wassertrennung an einem klassischen Experiment von Otto Stern orientiert, mit dem er und seine Kollegen 1933 in Hamburg das magnetische Moment des Protons gemessen hatten. Dazu hatten sie einen Strahl von Wasserstoffmolekülen durch einen starken Magnetfeldgradienten geschickt und gemessen, wie stark die Orthowasserstoffmoleküle mit Sz=+1 bzw. –1 in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt wurden. Dieses Experiment baute wiederum auf dem berühmten Stern-Gerlach-Versuch auf, mit dem Otto Stern und Walther Gerlach 1922 in Frankfurt die Richtungsquantelung des atomaren Drehimpulses nachgewiesen hatten. Dabei war ein Strahl von Silberatomen je nach der Einstellung ihres Elektronenspins aufgespalten worden.

Will man Ortho- und Parawasser mit einem solchen Stern-Gerlach-Versuch trennen, so muss man einen kalten Strahl von Wassermolekülen zur Verfügung haben, die sich möglichst langsam durch den Magnetfeldgradienten bewegen. Mit anderen Gasen wie Wasserstoff oder Helium kann man solch einen Strahl herstellen, indem man sie unter hohem Druck durch eine tiefgekühlte Düse expandieren lässt. Der hohe Siedepunkt und der geringe Dampfdruck des Wassers machen jedoch eine andere Lösung erforderlich, wie die Forscher um Alexandrowicz berichten.

Sie stellten eine Gasmischung aus 97 % Krypton (als inertes Trägergas) und 3 % Wasserdampf her, das sie unter Druck durch eine 200 µm große Öffnung mit Überschallgeschwindigkeit ins Vakuum expandieren ließen. Die Eigenschaften des entstehenden Strahls wurden durch das schwerere Trägergas bestimmt. Die mittlere Strahlgeschwindigkeit betrug 385 m/s, die Varianz war 10 %. Die Rotationstemperatur der Wassermoleküle nach der Expansion war kleiner als 60 K, sodass beide Molekülarten vorwiegend in ihrem jeweiligen Grundzustand waren, d. h. für Parawasser der Rotationszustand mit J=0 und für Orthowasser der Rotationszustand mit J=1.

Der Molekülstrahl passierte eine magnetische Hexapolanordnung, die wie eine spinselektive Magnetlinse wirkte. Sie bündelte die Orthowassermoleküle mit Sz=1, während sie die übrigen Moleküle zu den Seiten hin entweichen ließ, so dass sie nicht mit den gebündelten Molekülen kollidierten. Der Strahl der gebündelten Orthowassermoleküle passierte eine kleine Öffnung, die senkrecht zur Strahlrichtung verschoben werden konnte, um das Strahlprofil abzutasten. Die von der Öffnung durchgelassenen Moleküle wurden in Abhängigkeit von der Position der Öffnung mit einem Massenspektrometer detektiert. Dabei zeigte es sich, dass die selektierten Orthowassermoleküle einen etwa 2 mm breiten Strahl bildeten. 

   Abb.: Ein satter Strahl von Orthowasser (blaue Symbole). (Bild: T. Kravchuk et al., Science)

 Abb.: Ein satter Strahl von Orthowasser (blaue Symbole). (Bild: T. Kravchuk et al., Science)

Bei einem Kontrollexperiment mit einer Mischung aus Krypron und schwerem Wasser, das ein viel kleineres magnetisches Kernmoment hat, wurde vom Detektor kein gebündelter Strahl gefunden. Die Forscher sind sich deshalb sicher, dass der im Hauptexperiment nachgewiesene Strahl nur aus Orthowassermolekülen besteht.

Damit wird es möglich, Experimente mit Orthowasser durchzuführen. So könnte man z. B. untersuchen ob Ortho- und Parawasser in unterschiedlicher Weise von Oberflächen absorbiert werden, wie frühere Experimente das nahelegen. Außerdem könnte man eine kernspinpolarisierte Wasserschicht auf einer Unterlage aufbringen und untersuchen, wie schnell die Polarisierung abklingt. Von Ortho- und Parawasser wird man bestimmt noch häufiger hören.

RAINER SCHARF

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