Квантовые эффекты заторможенного вращения орто-пара-диводородов  H₂,  D₂,  T₂  при низкотемпературной адсорбции

В.С. Парбузин, Е.Б. Иванов

МГУ им. М.В.Ломоносова, Химический факультет

Макроскопические проявления квантовых свойств вещества в адсорбированном состоянии связаны с квантованием различных степеней свободы, дифракционными свойствами материи и принадлежностью к различным статистикам – Бозе-Эйнштейна или Ферми-Дирака. Все эти эффекты в полной мере проявляются у адсорбированных изотопов гелия Не-3 и Не-4 и ,частично, у членов диводородного семейства, к которым относятся гомоядерные молекулы орто-пара-протий, орто-пара-дейтерий, орто-пара-тритий и гетероядерные HD, HT, DT. Избирательная адсорбция диводородов есть проявление квантовых законов на макроскопическом уровне. Решающую роль в селективной адсорбции спин-изомеров водорода играют различия квантованных вращательных состояний двухатомных молекул диводородов в газе и на поверхности сорбента, в результате чего спин-изомеры с нечетными вращательными квантовыми числами (J=1,3,5,…) преимущественно накапливаются в адсорбционной, а с четными  (J = 0,2,4…) - в газовой фазе.

В докладе в приближении жесткого ротатора рассматриваются квантовые модели заторможенного вращения диводородов в трех типах адсорбционных полей:

1) на однородной поверхности, где V = cos²

2) на неоднородной поверхности, где V = cos²  + (1- cos2)

3) внутри октаэдрической ячейки, где потенциал имеет вид

V = - 1/8 V_o[3 – 30cos² + 35cos⁴ + 5sin⁴∙cos4]

Здесь V – потенциал, , , V_o - вращательные барьеры; , - полярные углы. С помощью компьютерного решения соответствующих уравнений Шредингера получены уровни энергии и рассчитаны теоретические температурные зависимости коэффициентов разделения орто-пара-изомеров H₂ и D₂, которые сопоставлены с собственными и литературными экспериментальными данными для силикагеля, оксида алюминия и цеолитов. Обсуждаются адекватность и прогностический потенциал трех моделей в приложении к реальным сорбентам. Сформулированы возможности экспериментальной проверки предсказаний теории для разделения орто-пара-трития, для которого такие измерения до сих пор отсутствуют.