水素イオンクラスター

水素分子イオンクラスターまたは水素クラスターイオンは、正に帯電した水素分子のクラスターである。水素分子イオン（H⁺ ₂）と三水素イオン（H⁺³_​）は明確に定義された分子種である。しかし、水素は一価の電荷を持つクラスター（H⁺ _n)、nは最大 120 です。

実験

水素イオンクラスターは液体ヘリウム中で形成されるか、あるいはより小さなクラスターサイズで純水素中で形成される。H⁺ ₆より高い偶数番号のクラスターよりもはるかに一般的です。^{[ 1 ]} H⁺ ₆固体水素では安定である。正電荷は溶媒和電子によって釣り合っている。これは、電離放射線が固体水素に照射された際に形成され、放射性固体トリチウムでも同様に形成される。放射線処理された天然水素では、正電荷はHよりもHD分子に優先して移動する。₂最終的に最も安定した配置はHD(HD) ⁺ HDである。^{[ 2 ]} H⁺ ₆水素分子を一方の端に結合し、もう一方の端でそれを失うことで、固体水素中を移動することができる：H₂+ H⁺ ₆→ H⁺ ₆+ H₂この移動はHD分子が追加されると停止し、エネルギーレベルが低下します。^{[ 3 ]} HDまたはD₂Hよりも優先して添加される₂. ^{[ 4 ]}

クランプットとゴウランドは、奇数の水素原子Hを持つクラスターを発見した。⁺ _{3+2 n}^{[ 5 ]}そして後にH⁺ ₁₅比較的安定していた。H⁺³_​このクラスターの中心は6つのH₂それを囲む分子。^{[ 6 ]}広岡は、 H までのガス中の奇数クラスターの安定性を研究した。⁺ ₂₁[ ^{7 ] Bae} はH⁺ ₁₅奇数番号のクラスターの中では特に安定していた。^{[ 8 ]}

キルヒナーは、気体中に奇数原子クラスターよりも低い濃度で偶数原子クラスターを発見した。H⁺ ₆Hよりも20倍も少ない⁺ ₅.H​⁺⁴_​、H⁺⁸_​とH⁺ ₁₀Hよりも少量で検出された。⁺ ₆[ ^{9 ]黒崎} と高柳はH⁺ ₆は他の偶数クラスターよりもはるかに安定しており、4次の反柱対称性を示した（ D_2日分子対称性）。^{[ 10 ]}この回転式構造の分子は、陽子の周りに5つの水素原子が環を成す分子よりもエネルギー的に安定していることが計算により判明した。^{[ 11 ]}

負の水素クラスターは存在が確認されていない。H⁻ ₃理論的には不安定だが、D⁻ ₃理論的には0.003 eVに制限される。^{[ 8 ]}

減衰

H⁺ ₆自由気体状態ではH原子とHを放出して崩壊する。₂分子。崩壊エネルギーはそれぞれ異なり、平均0.038 eV、ピーク0.14 eVで変化する。^{[ 9 ]}

形成

水素分子イオンクラスターは、様々な種類の電離放射線によって形成されます。物質を電離させることができる高エネルギー電子がこの役割を果たします。液体ヘリウムに溶解した水素に電子を照射する場合、ヘリウムを電離させて顕著な水素クラスターを生成するには、電子のエネルギーが十分である必要があります。固体水素にガンマ線やX線を照射すると、Hも生成されます。⁺ ₆. ^{[ 12 ]}

圧縮された水素がノズルを通って膨張するときにも陽イオンクラスターが形成される。 ^{[ 13 ]}

キルヒナーの偶数クラスター形成理論は、中性H₃分子はHと反応した⁺³_​イオン（または他の奇妙なクラスター）がHを作る⁺ ₆. ^{[ 9 ]}

プロパティ

Hの溶媒和⁺ ₆固体水素中の水素はスペクトルにほとんど影響を与えなかった。^{[ 10 ]}

使用

SRIインターナショナルは固体イオン水素燃料を研究した。彼らは、 Hを含む固体は⁺³_​H −イオンとH ⁻イオンを製造できる可能性がある。もし製造できれば、イオン濃度がわずか2%の他のロケット燃料よりも高いエネルギーを持つことになる。しかし、H ⁻を安定的に封じ込めることはできなかったが、他の負イオンであれば同様に安定的に封じ込められると判断した。^{[ 8 ]}この理論的な推力は、固体燃料ロケットや液体燃料ロケットの推力を上回る。^{[ 8 ]} SRIは、500 pAの電流で正イオンと負イオンのクラスターを生成できるクラスターイオンガンを開発した 。^{[ 8 ]}

イオンクラスターを用いた核融合は、単一のイオンよりもはるかに多くの原子に一度の衝突で衝突させることができます。この概念はクラスターイオン融合（CIF）と呼ばれています。重水素化リチウム（LiD）は、イオンを生成するための潜在的なスターター物質です。^{[ 8 ]}

参考文献

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