金属氢

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金属氢是一种简并态物质,是双原子分子H2同素异形体。当氢气被充分压缩,经过变后便会产生金属氢。 "固态"金属氢是由原子核(即质子)组成的晶体结构,其原子间隔小于玻尔半径,与电子波长长度相当(参见德布罗意波长)。电子脱离了分子轨道,表现为一般金属中的传导电子。而在液态氢中,质子没有晶格次序,质子电子组成液态的系统。

理论预测[编辑]

金属化的所需的壓力[编辑]

虽然氢元素位于元素周期表鹼金属列头,但氢气在常态下并不是碱金属。在1935年,物理学家尤金·維格納Hillard Bell Huntington预测,在250,000个大气压(约25GPa)下,氢原子失去对电子的束缚能力,呈现出金属性质[1]。此后的实验表明,对压力的最初假設不足[2]。理论計算表明使氫氧金属化需要更高的壓力,但是仍然是可通过实验可得到的。

爱丁堡大学极限和科学中心[7]教授Malcolm McMahon[8]指出,他们正在研究产生5,000,000大气压的技术(大于地球中心的壓力),希望能产生金属氢。

液态金属氢[编辑]

质子质量是4He的四分之一。在常壓下,由于高零点能,质子在绝对零点附近也呈现液态。同样的,质子在密集的状态下,零点能也很高,在高压缩状态下,有序能会降低。压缩氢的最高熔点目前还处于争论之中。[3][4]

超导性[编辑]

N. W. Ashcroft提出,金属氢在常温下(290K)也可能是超导体[5]

实验进展[编辑]

世界各国正通过多种途径来产生超高压制取金属氢。比较成熟的有两种方法,一种叫动态压缩法,即是从强磁场中采用快速冲击压缩,获取高压来制取金属氢。另一种叫静态压缩法,即产生100~200万大气压的静态高压,压缩液氢来制造金属氢。

动态压缩[编辑]

1996年3月,劳伦斯利福摩尔国家实验室的科学家报道他们无意中得到了可辨别的金属氢,其温度是1000K和压力超过1,000,000大气压(大于100GPa)。[6]

太空中的金属氢[编辑]

金属氢被认为会存在于一些大质量的行星内部,如木星土星,和一些新发现的太阳系外行星等,由于行星内部实际温度要高于以前的理论预测,因此,金属氢可能比预计的更多和更靠近行星表面。

应用[编辑]

原子能[编辑]

惯性约束聚变中涉及使用激光束轰击氢同位素。对极限条件下氢气的性质的了解能帮助增加效率。

能源[编辑]

有可能产生大量的金属氢的实际用途。有理论称亚稳态金属氢(简称MSMH)在压力释放之后,可能不会立即恢复成普通氢气。

MSMH是个有效而且干净的能源,最终产物只有。MSMH燃烧时,会比普通氢气更剧烈,将会释放九倍于普通氢,五倍于目前航天飞机燃料(液态H2/O2)的效果。 但是,劳伦斯利弗莫尔的实验过于简单,还不能确定亚稳态的金属氢是否存在。

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ [1] E. Wigner and H. B. Huntington, On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen J. Chem. Phys. 3, 764 (1935).
  2. ^ [2] P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao, and L. W. Finger, X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures Nature 383, 702 (1996).
  3. ^ [3]. Ashcroft N.W., The hydrogen liquids, J.Phys. A 12, A129-137 (2000).
  4. ^ [4]. Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations Nature 431, 669 (2004).
  5. ^ [5]. N. W. Ashcroft Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? Physical Review Letters 21 1748–1749 (1968).
  6. ^ [6] S. T. Weir, A. C. Mitchell, and W. J. Nellis, Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) Physical Review Letters 76, 1860 - 1863 (1996).