Ce este hidrogenul metalic. Ce este hidrogenul metalic? Am nevoie de ajutor cu un subiect

Hidrogenul metalic este format din nuclee puternic comprimate. În natură, materia se găsește în interiorul giganților și stelelor gazoase. Hidrogenul se află pe prima poziție a grupului de metale alcaline din Tabelul periodic al lui Mendeleev. În acest sens, oamenii de știință au presupus că ar fi putut avea proprietăți metalice pronunțate. Cu toate acestea, acest lucru este posibil teoretic doar la presiuni extreme. Nucleele atomice ale hidrogenului metalic sunt atât de apropiate între ele încât sunt separate doar de fluidul dens de electroni care curge între ele. Aceasta este mult mai mică decât densitatea neutroniului, o substanță existentă teoretic cu densitate infinită. În hidrogenul metalic, electronii fuzionează cu protonii pentru a forma un nou tip de particule, neutronii. Ca toate metalele, materialul este capabil să conducă electricitatea. Atunci când se aplică curent, se măsoară gradul de metalizare al unei astfel de substanțe.

Istoricul primirii

Acest material a fost sintetizat pentru prima dată în laborator chiar în 1996. Acest lucru s-a întâmplat la Laboratorul Național Livermore. Durata de viață a hidrogenului metalic a fost foarte scurtă - aproximativ o microsecundă. A fost nevoie de o temperatură de aproximativ o mie de grade și o presiune de peste un milion de atmosfere pentru a obține acest efect. Acest lucru a fost o surpriză completă pentru experimentatorii înșiși, deoarece anterior se credea că este necesară o temperatură foarte scăzută pentru a obține hidrogen metalic. În experimentele anterioare, hidrogenul solid a fost supus la presiuni de până la 2.500.000 de atmosfere. În același timp, nu a existat nicio metalizare vizibilă. Experimentul de comprimare a hidrogenului fierbinte a fost efectuat doar pentru a măsura diferitele proprietăți ale materialului în aceste condiții, și nu în scopul obținerii de hidrogen metalic. Cu toate acestea, a avut un succes total.

Deși hidrogenul metalic produs la Laboratorul Național Lawrence Livermore era în stare solidă de agregare, a apărut teoria că această substanță ar putea fi obținută și sub formă lichidă. Folosind calcule, s-a constatat că un astfel de material poate fi un supraconductor la temperatura camerei, deși această proprietate nu este încă aplicabilă în scopuri practice, deoarece costul creării unei presiuni de un milion de atmosfere este mult mai mare decât cantitatea de material obținută în termeni monetari. Cu toate acestea, există o mică posibilitate ca hidrogenul metalic metastabil să existe în natură. Potrivit experților, își păstrează parametrii chiar și în absența presiunii.

Se crede că hidrogenul metalic există în nucleele marilor giganți gazosi de la noi. Acestea includ Jupiter și Saturn, precum și un înveliș de hidrogen lângă nucleul Soarelui.

Drepturi de autor pentru imagine Universitatea Harvard Legendă imagine Ranga Diaz înainte de a instala o presă cu diamante de ultra-înaltă presiune

Oamenii de știință de la Universitatea Harvard au raportat că au fost primii care au reușit să transforme hidrogenul într-o stare metalică.

Dacă acest lucru este adevărat - și există îndoieli în acest sens - o astfel de realizare va fi încununarea a peste 80 de ani de încercări de a crea cel mai exotic material din natură.

În teorie, hidrogenul metalic ar putea fi folosit pentru a crea fire cu rezistență zero și noi combustibili pentru rachete.

Oamenii de știință de la Universitatea Harvard Ranga Diaz și Isaac Silvera au publicat rezultatele experimentelor lor în revista Science.

„Pentru prima dată în istoria planetei Pământ, a fost creat hidrogen metalic solid”, a declarat profesorul Silvera pentru BBC.

Oamenii de știință spun că până acum au reușit să producă o cantitate mică de hidrogen metalic, dar în timp, cred ei, pot fi găsite modalități de a crește producția acestui material.

Metoda a constat în comprimarea unui recipient care conținea o cantitate mică de hidrogen molecular între două diamante artificiale, în condiții de presiune extrem de ridicată și temperatură ultra scăzută.

Sub presa cu diamante, au reușit să atingă o presiune de 495 gigapascali. Acest lucru este echivalent cu aproximativ 5 milioane de atmosfere. Menghina cu diamant a fost, de asemenea, răcită la minus 270 de grade Celsius.

Scopul experimentului a fost de a realiza o abordare atât de apropiată a atomilor de hidrogen, încât aceștia au format o rețea cristalină și au început să facă schimb de electroni, ceea ce este caracteristic metalelor.

Autorii articolului scriu că materialul din menghină a căpătat o suprafață strălucitoare, ceea ce a indicat o schimbare a structurii sale atomice. „În plus, odată cu creșterea presiunii, materialul a devenit negru și credem că acest lucru s-a întâmplat pentru că a devenit un semiconductor capabil să absoarbă lumina”, spune profesorul Silvera.

"Apoi am crescut presiunea și mai mult, iar materialul a devenit strălucitor. A fost o priveliște foarte interesantă. Reflexivitatea lui a fost extrem de mare, aproximativ 90%. Aceasta este aproximativ egală cu reflectivitatea aluminiului lustruit", a spus omul de știință.

Drepturi de autor pentru imagine BIBLIOTECĂ FOTOȘTIINȚĂ Legendă imagine În metale, atomii sunt împachetati foarte strâns și fac schimb de electroni.

Cu toate acestea, trebuie menționat că știrile de la Harvard au provocat mult scepticism în rândul oamenilor de știință. Printre aceștia se numără și specialiști care lucrează în domenii similare sau similare. Aceștia susțin că articolul publicat conține prea puține date care ar putea confirma realitatea acestei realizări.

„Prostii complete”, a spus Eugene Gregoryants de la Universitatea din Edinburgh. „Ca toți cei care lucrează cu hidrogen de înaltă presiune, sunt uimit de ceea ce este publicat în revista Science”.

Cu toate acestea, o astfel de rezistență este naturală. Dacă descoperirea va fi confirmată, va deveni una dintre cele mai remarcabile realizări ale fizicii aplicate din ultimele decenii.

Starea metalică a hidrogenului a fost prezisă cu mai bine de 80 de ani în urmă, iar de atunci oamenii de știință au încercat să o pună în practică. Valoarea acestui material este asociată cu proprietățile sale uimitoare.

De exemplu, se fac ipoteze cu privire la metastabilitatea hidrogenului metalic. Aceasta înseamnă că, chiar și atunci când revine la condiții normale de temperatură și presiune, își va păstra proprietățile.

Unii oameni de știință cred, de asemenea, că va fi un metal supraconductor chiar și la temperatura camerei, ceea ce va duce la o revoluție în transportul și stocarea energiei electrice.

Drepturi de autor pentru imagine NASA Legendă imagine Hidrogenul metalic ar putea fi un combustibil unic pentru rachete

Agenția aerospațială americană NASA își arată și ea interes pentru material. Hidrogenul lichid este deja folosit ca combustibil pentru rachete cu un consum mare de energie, dar forma sa metalică ar putea deveni un nou tip de combustibil capabil să genereze o tracțiune gigantică și să lanseze sarcini utile mai masive pe orbită.

"Știu că mulți experți în presiune înaltă își exprimă îndoielile, subliniind că reflectivitatea ridicată se poate datora prezenței unor contaminanți în compoziția diamantului, cum ar fi alumina. Cu toate acestea, dacă au reușit într-adevăr să atingă o presiune de aproape 500 de gigapascali. într-o presă cu diamante, vă puteți aștepta la o tranziție la starea metalică a hidrogenului”, a spus cercetătorul Markus Knudson de la Sandia National Laboratories.

Geoffrey McMahon de la Universitatea din Washington este în general de acord cu el.

„În ceea ce privește cantitatea microscopică de material obținută - acest tip de experiment este întotdeauna efectuat în prese mici cu diamante. Sunt două probleme de rezolvat. În primul rând, încercați să obțineți mai mult material în același timp; în al doilea rând, ceea ce va fi mult mai dificil. , asigurați-vă că materialul își păstrează proprietățile după ce presiunea este îndepărtată”, spune omul de știință american.

„Răspunsul la a doua întrebare rămâne deschis”, a spus el.

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă verificată

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de cea revizuită pe 27 mai 2017; sunt necesare verificări.

Hidrogen metalic- un set de stări de fază ale hidrogenului, care se află la presiune extrem de mare și a suferit o tranziție de fază. Hidrogenul metalic este o stare degenerată a materiei și, conform unor ipoteze, poate avea unele proprietăți specifice - supraconductivitate la temperatură ridicată și căldură specifică ridicată de tranziție de fază.

În anii 1930, omul de știință britanic John Bernal a sugerat că hidrogenul atomic, constând dintr-un proton și un electron și reprezentând un analog complet al metalelor alcaline, ar putea fi stabil la presiuni ridicate. În 1935, Eugene Wigner și H. B. Huntington au efectuat calculele corespunzătoare. Ipoteza lui Bernal a fost confirmată - conform calculelor, hidrogenul molecular trece în faza atomică de metal la o presiune de aproximativ 250 de mii de atmosfere (25 GPa) cu o creștere semnificativă a densității. Ulterior, estimarea presiunii necesare pentru tranziția de fază a fost crescută, dar condițiile de tranziție sunt încă considerate potențial realizabile. Predicția proprietăților hidrogenului metalic se realizează teoretic. Încercările de producție începute în anii 1970 au dus la posibile episoade de hidrogen în 1996, 2008 și 2011, până când în cele din urmă, în 2017, profesorul Isaac Silvera și colegul său Ranga Diaz au realizat o probă stabilă la o presiune de 5 milioane de atmosfere, totuși camera în care proba a fost depozitată prăbușită sub presiune și proba a fost pierdută.

Se crede că cantități mari de hidrogen metalic sunt prezente în nucleele planetelor gigantice - Jupiter, Saturn - și exoplanetele mari. Datorită compresiei gravitaționale, un miez de hidrogen metalic ar trebui să fie sub stratul de gaz.

Pe măsură ce presiunea externă crește la zeci de GPa, grupul de atomi de hidrogen începe să prezinte proprietăți metalice. Nucleele de hidrogen (protoni) se apropie unul de celălalt mult mai aproape decât raza Bohr, la o distanță comparabilă cu lungimea de undă a electronilor de Broglie. Astfel, forța de legare a electronului cu nucleul devine nelocalizată, electronii sunt legați slab de protoni și formează un gaz de electroni liberi în același mod ca în metale.

Faza lichidă a hidrogenului metalic diferă de faza solidă în absența ordinului de lungă durată. Există o discuție despre intervalul acceptabil pentru existența hidrogenului metalic lichid. Spre deosebire de heliu-4, care este lichid la temperaturi sub 4,2 și presiunea normală datorită energiei sale zero-punct zero, o serie de protoni dens împachetate are o energie semnificativă de punct zero. În consecință, trecerea de la o fază cristalină la o fază dezordonată este de așteptat la presiuni și mai mari. Un studiu al lui N. Ashcroft admite o regiune de hidrogen metalic lichid la o presiune de aproximativ 400 GPa și temperaturi scăzute. În alte lucrări, E. Babaev sugerează că hidrogenul metalic poate fi un lichid superfluid metalic.

În 2011 a fost raportată observarea unei faze metalice lichide de hidrogen și deuteriu la o presiune statică de 260-300 GPa. , care a ridicat din nou întrebări în comunitatea științifică.

Comunitatea științifică a fost sceptică cu privire la această știre, așteptând un reexperiment.

Compușii metastabili ai hidrogenului metalic sunt promițători ca combustibil compact, eficient și curat. În timpul tranziției hidrogenului metalic la faza moleculară obișnuită, se eliberează de 20 de ori mai multă energie decât atunci când se arde un amestec de oxigen și hidrogen - 216 MJ / kg

Oamenii de știință de la Harvard Isaac Silvera și Ranga Diaz au obținut hidrogen metalic! Acest eveniment a fost raportat pe 26 ianuarie 2017 în revista Science (Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation of the Wigner-Huntington transition to metalic hydrogen).

Esența experimentului a fost că între diamante, în condiții de presiune și temperatură incredibil de uriașe, hidrogenul a fost stors. Se indică faptul că indicatoarele de presiune în acel moment au depășit parametrii din centrul Pământului! Din păcate, nu a fost încă posibilă fixarea stării metalice la temperaturi și presiuni normale. Cu toate acestea, oamenii de știință își vor continua seria de experimente la presiune mai mică. Dacă are succes, hidrogenul metalic are un viitor mare în față.

Hidrogen metalic: perspective de aplicare

Este de așteptat ca această substanță să găsească aplicație ca combustibil pentru rachetele spațiale. Efectul utilizării hidrogenului metalic în această capacitate, conform calculelor, va depăși de peste 4 ori efectul combustibililor pentru rachete existenți, ceea ce va face posibilă lansarea pe orbită a unor încărcături mai grele.
Utilizarea hidrogenului metalic ca supraconductor este foarte promițătoare. Acum conductoarele sunt fabricate din diferite metale, dar chiar și în cel mai bun caz, pierderea de curent electric la trecerea prin conductor ajunge la 15%. În cazul utilizării hidrogenului metalic, pierderile s-ar apropia de zero. Asa de

HIDROGEN METALIC

HIDROGEN METALIC

Ansamblul de faze de hidrogen de înaltă presiune cu metal. proprietăți. Posibilitatea trecerii hidrogenului la metal. faza a fost considerată pentru prima dată teoretic de Yu. Wigner și H. B. Huntington în 1935 [I]-^B mai departe, pe măsură ce metodele teoriei electronice a metalelor dezvoltate, ecuația metalului. fazele hidrogenului au fost studiate teoretic. Pe fig. 1 arata obtinute prin sintetizarea rezultatelor acestor calcule cu experiment. și teoretic date despre nivelul stării hidrogenului molecular. La atm. hidrogenul de presiune și temperatură scăzută există sub formă de dielectric. cristal molecular, cu creșterea presiunii, are loc o tranziție la cristalin. metalic condiție. În același timp, în funcție de temperatură, sunt posibile 3 faze ale secolului M. La temp. T= 0 K și presiune r= Metalizarea de 300-100 GPa este însoțită de o rearanjare a cristalinului. structura, disocierea moleculelor de H 2 si metalice. cristalul devine atomic. La T > 10 K, metalizarea este posibilă cu păstrarea structurii cristalului molecular (linie punctată; metalizarea de acest tip a fost observată anterior la iod). Cu o creștere suplimentară a presiunii sau a temperaturii, metalic. faza si lichida atomica M. se formeaza.

Orez. I. Diagrama de stare a hidrogenului.

Hidrogenul din metal faza este conținută în intestinele planetelor gigantice Jupiter și Saturn. Conform modernului modele, pe Jupiter, hidrogenul în faza moleculară este prezent doar la adâncimi de ordinul a 0,22 din raza planetei. La o adâncime mai mare, hidrogenul amestecat cu He formează un metal lichid. faza (Fig. 2, ).

S-a raportat despre primirea M. în. în experimentele privind compresia șocului și compresia în nicovalele de diamant, totuși, experimente de încredere. date despre presiunea de tranzitie si ur-nii metalice. încă nicio fază.

Importanţa obţinerii M. în. datorită faptului că trebuie să combine o serie de proprietăți unice. În primul rând, datorită masei mici de atomi, anormal de mari De-bay Ca o consecință a acestui fapt, temperatura tranziției supraconductoare T sîn fază solidă la o presiune de ordinul presiunii de metalizare ar trebui să depășească 200 K, ceea ce este mult mai mare decât cea a tuturor cunoscute. supraconductori, deoarece..

În al doilea rând, M. c. poate exista sub formă lichid cuantic. Un atom mic de hidrogen duce la o valoare mare a amplitudinii fluctuații zero atomi, astfel încât chiar și cu T= 0 K poate să nu apară. Spre deosebire de lichidele cuantice cunoscute (3 He și 4 He), topirea cristalinului. M. c. apare odata cu cresterea presiunii. Date calculate fiabile privind structura și curba de topire a metalului. încă nicio fază. Conform unor calcule, la care are loc topirea la T= 0 K, de ordinul presiunii necesare pentru metalizare, adică, în acest caz, poate să nu existe fază solidă H.

Când presiunea este îndepărtată și trecerea inversă de la metal. ~290 MJ/kg este eliberat în faza dielectrică, care este de mai multe ori. ori mai mare decât orice combustibil cunoscut. Perspective pentru practică folosirea lui M. în. ca acumulator de energie depind de ce condiții sunt necesare pentru implementarea unui metal metastabil. faze cu îndepărtarea parțială a ext. presiunea si ce este. În plus față de protium 1 H, metalizarea poate apărea în cristalele de deuteriu 2 H și tritiu 3 H, cu singura diferență că proprietățile cuantice ale acestor cristale sunt mai puțin pronunțate și rata de tranziție supraconductoare. T sîn ele de mai jos.

Lit.: 1) Wigne, E., Hintington, H. B., Despre posibilitatea unei modificări metalice a hidrogenului, „J. Chem. Phys.”, 1935, v. 3, p. 746; 2) Stevenson D. J., Interiors of giant planets, „Ann. Rev. Earth Planet. Sci.”, 1982, v. 10, p. 257; 3) Kagan Yu., Pushkarev V., Kholas A., Ecuația de stare a fazei metalice a hidrogenului, „SHETF”, 1977, v. 73, p. 967; 4) Zharkov V. H., Structura internă a Pământului și a planetelor, ed. a II-a, M., 1983, cap. 10; 5) Grigoriev F. V. şi colab., Determinarea experimentală a compresibilităţii hidrogenului la densităţi de 0,5+2 g/cm3, JETP Letters, 1972, vol. 16, p. 286; 6) Ross M., Materia în condiții extreme de temperatură și presiune, „Repts Progr. Phys.”, 1985, v. 48, p. unu; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Structural properties of supraconductivity and magnetism of metallic hydrogen, "Phys. Rev. B", 1984, V. 30, No. 9, p. 5076. V. V. Avilov.

Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia Sovietică. Redactor-șef A. M. Prokhorov. 1988 .

Vedeți ce este „HIDROGEN METAL” în alte dicționare:

Acest articol conține o traducere în engleză neterminată. Puteți ajuta proiectul traducându-l până la capăt... Wikipedia

DAR; m. Un element chimic (H), un gaz ușor, incolor și inodor, care formează apă în combinație cu oxigenul. ◁ Hidrogen, oh, oh. conexiunile. În bacteriile diversificate. În bombă (o bombă cu o putere distructivă enormă, a cărei acțiune explozivă se bazează pe ... ... Dicţionar enciclopedic

Starea solidă de agregare a hidrogenului cu un punct de topire de -259,2 °C (14,16 K), o densitate de 0,08667 g/cm³ (la -262 °C). Masă albă asemănătoare zăpezii, cristale hexagonale, grup spațial P6 / mmc, parametrii celulei a \u003d 0,378 ... ... Wikipedia

Magnesium metallicum - Magnesium metallicum, Magnesium metal- Element chimic al grupei a 2-a a sistemului periodic al lui Mendeleev. Apare în natură sub formă de magnezit, dolomit, carnalit, bischofit, olivină, kainită. Metal argintiu, nu se oxidează la temperaturi obișnuite în aer uscat, cu apă rece ... ... Manual de homeopatie

Acest termen are alte semnificații, vezi Jupiter (sensuri). Jupiter... Wikipedia