Сечение рассеяния нейтронов зависит от ориентации как спина нейтрона, так и спина рассеивающего ядра. Суммарный спин системы при рассеянии может принимать два значения:

и , где I – спин рассеивающего ядра.

Амплитуда рассеяния является функцией спинов. В результате спиновой зависимости рассеяние делится на некогерентное и когерентное. При когерентном рассеянии суммарный спин системы не изменяется, а при некогерентном – изменяется. В Н2О рассеяние почти полностью некогерентно (на 95%), а в D2О почти полностью когерентно, что делает особенно интересным исследование этих жидкостей.

Деления сечения рассеяния нейтронов G на отдельные составляющие (когерентное и некогерентное рассеяние) сопряжено с большими трудностями, и для его осуществления приходится использовать модельные представления.

Согласно Виньярд (1958), сечение неупругого рассеяния нейтринов может быть записано в виде

,

где а – амплитуда рассеяния, D – коэффициент самодиффузии, g(r) - радиальная функция распределения, полученная из данных по рассеянию рентгеновских лучей, и - волновые векторы падающей и рассеянной частицы, - частота колебательного кванта решетки, т.е. фонона.

Для фиксированного угла рассеяния нейтронов спектр рассеянных нейтронов, будет концентрироваться около наиболее вероятной энергии, очень близко к падающей с шириной

.

Коэффициенты диффузии, измеренные по неупругому рассеянию нейтронов с Ен = 5∙10-3 эВ в очень тонких образцах (Брокхаузе, 1958) приведены в табл.14 (Крибье, Жакро, 1960), из которых видно, что все рассмотренные методы приводят к близким численным результатам для коэффициентов самодиффузии.

VВОДА D2O

Электронная конфигурация молекулы D2О мало отличается от электронной конфигурации молекулы Н2О. Изменение массы не влияет непосредственно на силовое поле и расстояние ОН и ОD, а также углы НОН и DOD во льду I практически одинаковы.

Увеличение массы легкого атома в молекуле D2О, однако, существенно сказывается на увеличение приведенной массы всей молекулы:

.

Это обуславливает изменение частот всех колебаний молекулы, и в том числе и нулевых колебаний:

,

где - приведенная масса ОН группы,

.

Изменение частоты нулевых колебаний сказывается на величине энергии дисперсионного межмолекулярного взаимодействия

.

Поляризуемость молекулы зависит от частот электронных переходов. Энергия электронных переходов (согласно теории Бора) определяется разностью энергий стационарных орбит :

,

где и - квантовые числа, характеризующие различные электронные состояния, R – постоянная Ридберга, которая зависит от массы ядра , где - масса электрона, М – масса ядра, .

Переход от водорода к дейтерию приводит к увеличению постоянной Ридберга, т.е. к увеличению энергий электронных переходов и, следовательно, к уменьшению поляризуемости дейтерия по сравнению с водородом. Таким образом, дисперсионная энергия взаимодействия молекул при замене Н на D уменьшается. Все соединения углеводородов при замене Н на D характеризуются более высоким давлением пара над чистой жидкостью, увеличенной сжимаемостью, меньшей энтальпией парообразования и т.д.

В последнее время накапливается все больше данных о том, что свойства тяжелой воды и легкой воды не укладываются в обычный изотропный эффект. Многие термодинамические свойства Н2О и D2О свидетельствуют в пользу того, что их можно сравнивать друг с другом, если сдвинуть температуру D­2­О на 6º в сторону меньших температур. Температура замерзания Н2О и D2О отличаются между собой на 3ºС.

а) Дифракция нейтронов

Неэквивалентность водорода и дейтерия четко проявляется в экспериментах по дифракции нейтронов. Дифракционное измерение дает сразу распределение трех корреляционных функций и :

,

где и - концентрации компонент и амплитуды рассеяния.

В связи с этим принципиально возможно разделить индивидуальные функции распределения, если выполнить ряд измерений с разными весовыми факторами отдельных составляющих. Изотопное замещение часто используется для этой цели. Как показал Доре (1984), такой подход не оправдан из-за неэквивалентности Н и D. Распределение , как показал Доре, сильно зависит от соотношения Н и D. Увеличение концентрации D приводит к резкой трансформации максимума в области 3,4 Å. Он приобретает двугорбую форму, расширяется, и амплитуда его уменьшается.

б) Давление пара над жидкостью.

Давление пара над D2О и Н2О в переохлажденном состоянии было недавно измерено в работе Крауса и Грира (1984). Эти данные интересны, так как «аномальные» свойства воды особенно ярко проявляются при низких температура и малых давлениях. При температуре замерзания воды Н2О 273 К давлении пара равно мм рт.ст., а при Т = 259 К давление пара над Н2О равно мм рт.ст. Давление пара при температуре замерзания D2О 276 К мм рт.ст., а при 259 К мм рт.ст. При температуре 273 К мм рт.ст. Представленные цифры показывают, что сравнить свойства D2О и Н2О очень трудно. При сравнении давления пара над D2О и Н2О в точках их замерзания оказывается, что давление пара над D2О больше, чем над Н2О, на 3%. Если сравнить давление пара над D2О и Н2О при одной и той же температуре, например Т = 270 К, то окажется, что давление пара над Н2О на 20% больше, чем над D2О. Большему давлению пара над жидкостью соответствует меньшая энергия молекулярного взаимодействия и наоборот.