化学反応における核スピン保存則
化学反応において、反応物と生成物両方に核スピン異性体が存在する場合を考える。以下では、H3生成反応の;
H2 + H2 → H3 + H
を例とする。H原子核は1/2の核スピンをもつので、H2,H2,H3はそれぞれ、オルト(H2,H2は総核スピン数I = 1、H3はI = 3/2)とパラ(H2,H2はI = 0、H3はI = 1/2)という核スピン異性体を持つ。
水素原子核のように、1/2スピンを持つ粒子について考える場合、電子と同様に、上向き(↑)下向き(↓)の矢印を使って考えると理解の助けになる。ただし、このような矢印を用いた便宜的説明は広く行われているものの、厳密には正しくないことを常に留意する必要がある。例えば、反平行スピンのH2に対する核スピン部分の波動関数は、[ψ(↑↓)±ψ(↓↑)]/√2 の2つが存在し、それぞれ核の交換に対して対称(オルト)と反対称(パラ)となるため、「反平行」と「パラ」は等価とはならない。
ここでは、便宜的な説明方法に従い、オルト水素(I = 1)を二つのスピンの向きが同じ(↑↑ or ↓↓)、パラ水素(I = 0)をスピンの向きが逆(↓↑ or ↑↓)とした。上の反応で、オルト水素(o-H2)とオルト水素イオン(o-H2)を考える、
となり、この場合は生成物H3はオルトもパラも生成する。
一方パラ水素(p-H2)とパラ水素イオン(p-H2)を考えると、
のようにH3はパラのみしか生成されない。
検証実験では普通の水素(オルト75%,パラ25%)とパラ水素(パラ99%以上)それぞれを放電させ、上のようにH3を生成させたとき、パラ水素ガスを用いた方が、より多くのパラH3が観測される。