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厉害了!氢居然是金属,而且还是超导金属!

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点击次数:1499 更新时间:2017年02月07日12:19:19 打印此页 关闭

氢是人们最熟悉的化学元素。在元素周期表排第一,单个质子和单个电子,为最轻的物质。它在常温常压下是一种气体,在低温下可以成为液体,在温度降到零下259℃时即为固体。如果对固态氢施加几百万个大气压的高压,就可能成为金属氢----这个理论一早就有预测(早在1935年,英国物理学家贝纳尔就预言,在一定的高压下,任何绝缘体都能变成导电的金属,只是,不同的材料转变成导电金属所需的压力不同而已,有的材料,如磷,已能获得导电体,但稳定的金属氢样品始终没有得到。)。但是一直没有办法实现,到2017年1月26日,美国科学家在实验室想尽办法终于实现。金属氢的出现是当代超高压技术创造的一项奇迹,它是高压物理研究领域中一项十分活跃的课题。


      氢在金属状态下,氢分子将分裂成单个氢原子,并使电子能够自由运动。在金属氢中,氢分子键断裂,分子内受束缚的电子被挤压成公有电子,这种电子的自由运动,使金属氢具有了导电的特性。因此,把氢制成金属,关键就是把电子从原子的束缚下解放出来,把共价键转变为金属键。


      金属有一些不平常的性质。当金属表面光滑时,它们反射光的效率很高,因此它们具有一种“金属光泽”;但非金属却没有很高的反射能力,因而具有一种“无光泽的颜色”。金属容易变形,能够制成金属板和拉成金属线;而非金属在受到打击时会被打碎,破裂或成为粉末。金属易于导热和导电,非金属却不能。

    金属态氢是一种简并态物质,是双原子分子H2的同素异形体。当氢气被充分压缩,经过相变后便会产生金属氢。 金属态氢是由原子核(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,质子和电子组成液态的系统。
    

氢在高压挤压下,会变成有良好导电性质的液体。根据理论推测,土星和木星等类木行星的内部,就有液态金属氢。虽然氢元素位于元素周期表碱金属列头,但氢气在常态下并不是碱金属。

     而且早有理论,和化学家不同,天文学家将氢和氦以外的一切元素统称为金属。在高温和高压条件下,气态的氢也可以成为电导体的金属氢。以木星为例:最外层是1000公里厚的气态分子氢,再往下是24000公里厚的液态分子氢,再往下是45000公里厚的液态金属氢。

      为什么人们如此费尽心血地来研制金属氢呢?这是因为一旦金属氢问世,就如同当年蒸汽机的诞生一样,将会引起整个科学技术领域一场划时代的革命。

金属氢是一种亚稳态物质,可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”,把炽热的电离气体“盛装”起来,这样,受控核聚变反应使原子核能转变成了电能,而这种电能将是廉价的又是干净的,在地球上就会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”,人类将最终解决能源问题。
      

用金属氢输电,可以取消大型的变电站而输电效率在99%以上,可使全世界的发电量增加四分之一以上。如果用金属氢制造发电机,其重量不到普通发电机重量的10%,而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。
      

金属氢还具有重大的军用价值。金属氢作为超高含能物质的能量密度高达218kJ/g,是TNT炸药(4.65kJ/g)的约50倍,是综合性能最好的奥托金HMX炸药(5.53kJ/g)的约40倍。金属氢的高能密度对航天工业意义重大,理论上以金属氢作为燃料的火箭发动机比冲可以高达1700秒火箭是用液氢作燃料,因此必须把火箭做成一个很大的热水瓶似的容器,以便确保低温。如果使用了金属氢,火箭就可以制造得灵巧,小型。金属氢应用于航空技术,就可以极大地增大时速,甚至可以超过音速许多倍。由于相同质量的金属氢的体积只是液态氢的1/7,因此,由它组成的燃料电池,可以较容易地应用于汽车,那时,城市就不再像现在这样喧哗、污染而变得十分清洁、安静。


金属氢内储藏着巨大的能量,比普通TNT炸药大30─40倍。伴随着金属氢的诞生必将会产生许多新式武器。


金属氢在常态下是一种新型的超导材料,这个应用的例子就多了,见Dusa君写的另外一篇文章(http://www.dusa.hk/newsdetail_337538.html

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