24. Пара- и орто-водород

Интересное подтверждение этого толкования чередования интенсивностей было получено из теплового поведения молекулы водорода. Основным термом является -терм, Этот терм симметричен по отношению к электронам, в силу чего вращательные уровни с четным симметричны, а уровни нечетным антисимметричны по отношению к ядрам (фиг. 22).

Фиг. 22. Последовательность симметричных и антисимметричных ротадионных уровней в основном состоянии молекулы водорода.

Вследствие малого момента инерции расстояние между вращательными состояниями довольно велики. Поэтому при очень низких температурах, например, при точке кипения водорода, все молекулы должны были бы находиться на самом низком вращательном терме Тем не менее, это не всегда так. Так как переходы между симметричными и антисимметричными состояниями чрезвычайно маловероятны, то все симметричные молекулы при охлаждении попадают в состояние а те молекулы, которые до охлаждения были антисимметричными, могут перейти только в самое низкое антисимметричное состояние, т. е. на второй вращательный уровень Но теперь все же переход между симметричными и антисимметричными состояниями хотя и очень маловероятен, но не совершенно невозможен. Вследствие этого, если выдерживать водород в течение нескольких дней при низкой температуре, равновесие все же наступит, и, таким образом, все молекулы, в конце концов, оказываются в симметричном состоянии с Если затем водород нагревается, то будут заниматься и более высокие вращательные уровни, сначала, однако, только симметричные, так как переход в антисимметричные состояния снова требует достаточного количества дней. Когда подготовленный таким образом водород возбуждается до свечения в разрядной трубке, он испускает спектр, в. котором отсутствует половина линий, наблюдающихся у нормального водорода. Появляются только симметричные линии, обладающие в нормальном спектре меньшей интенсивностью. Но когда затем часть молекул с течением времени медленно перейдет в антисимметричные состояния, снова выступят антисимметричные линии. Своей нормальной интенсивности они достигают лишь с установлением полного равновесия. Так же, как для атома гелия, более распространенные антисимметричные состояния называют орто-,

менее распространенные симметричные — пара-состояниями (орто- и пара-водород). В то время как для гелия это различие относится к поведению собственных функций электронов при обмене координат обоих электронов, орто-и пара-водород различаются свойствами симметрии их собственных функций при обмене обоих ядер. Так как магнитный момент ядер значительно меньше, чем момент электронов, то, вследствие меньшей энергии взаимодействия, переход между пара- и орто-состояниями у молекулы водорода еще менее вероятен, чем у атома гелия.

Разумеется, у молекулы водорода, как и у гелия, следует различать электронно симметричные (синглетные) и электронно антисимметричные (триплетные) термы или собственные функции. Они рассматривались подробнее в разделе 3 при изложении образования молекулы водорода. Вероятности перехода между этими термами малы, но все же существенно больше, чем между орто- и пара-водородом.

Чистый пара-водород, получающийся из обычного водорода (путем длительного выдерживания при очень низкой температуре), отличается от последнего не только спектром, но и другими свойствами (прежде всего изменением теплоемкости при низких температурах). К этому мы вернемся позднее.