宇宙中最轻的金属——金属氢，本文主要内容关键词为：金属论文,最轻论文,宇宙论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
氢是最简单的元素，其原子由一个质子和一个电子组成，而且是宇宙中数量最多的元素。太阳系的大多数星球都是由氢构成的，按质量计，氢约占太阳系所有星球（太阳除外）总质量的90％以上，其中大约一半是以金属氢的形态存在，可以说太阳系中最多的物质就是金属氢。
半个多世纪的尝试未果
在地球上，常温常压下氢为气体，冷却至－253℃（20°K）氢由气态变成液态，冷却至－259℃（14°K）以下则变成固态。但是，所有气态、液态和固态的氢都是由双原子的分子氢（H[,2]）组成， 均是不导电的绝缘体。1935年美国普林斯顿大学物理学家尤金.P.威格纳预计， 在足够高的压力下，绝缘的双原子分子固态氢可能转变成能导电的单原子固态金属氢。此后许多年里，一些科学家对这一转变所需的压力进行了估算，结果差异很大，从25万个大气压到2000万个大气压，最近的估算结果为400万个大气压。
1968年美国康奈尔大学物理学家尼尔.W.阿什克罗夫特认为， 固态金属氢可以没有任何电阻的导电，如果能稳定的生产金属氢，并在普通环境条件下保持其金属状态，就可用金属氢作为室温超导体、清洁能源和轻型建筑材料等。在此预测的激励下，一些科学家运用不同的实验装置包括人造金刚石用的高压釜，试图将氢气转变成金属氢，实验中虽使氢气受到高达340万个大气压以上的压力， 成功地使氢从气态转变成液态和固态，但始终未能发现液态氢和固态氢导电的迹象。从1935年算起，半个多世纪科学家们使氢金属化的尝试均告失败。
振奋人心的实验结果
1986年国际上“高温”超导体的研究取得突破性进展。“高温”超导体是指在液氮温度（－196℃或77°K）以上其电阻变为零的超导材料。20世纪90年代初， 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家威廉.J.内利斯及其同事便开始利用气体枪研究“高温”超导体， 液态金属氢和固态金属氢是他们的主要研究目标。
威廉.J.内利斯等人所用的气体枪有两极， 第一级由后膛和泵管组成，第二级为细枪管。后膛内装有3.3千克枪药，枪药点火后， 爆炸所产生的热气推动泵管内的活塞前进。泵管长10米、直径90毫米，管内充有60克氢气。活塞重6.8千克，活塞运动压缩泵管内的氢气， 当氢气压力增大到1000个大气压时，便冲破一阀门而进入第二级——抽真空的细枪管。枪管长9米、直径28毫米。由于枪管变细、容积变小， 使氢气加速，推动一子弹以7千米/秒的速度射向靶室。 子弹是一块一角金币大小的金属冲击板，重20克。靶室为一铝样品容器，内装两块绝热的蓝宝石砧板，两板相距0.5毫米，其间注入冷却至20°K的液氢。子弹冲击靶室所产生的激波穿过铝容器壁进入液氢。蓝宝石砧板的反射作用使激波在两块砧板之间回荡10多次，使液氢中的压力可达到180万个大气压， 体积减小到原体积的1/10，温度升至3000°K。样品容器内的触发针探测到第一个激波进入液氢后便接通记录设备。虽然液氢样品受到最大压力的扶持时间只有约100毫微秒（10[－7]秒），但已足够氢达到热平衡和测量液氢的电阻率。
为了测定液氢的导电率，在样品容器内的两个电极上加上小的电流，便可测定液氢的电阻率。测量结果发现，在93万个大气压下，液氢的电阻率约为1欧姆—厘米，压力增加到120万个大气压时，其电阻率降低到0.005欧姆—厘米（相当于半导体的电阻率），压力增加到140万个大气压时，其电阻率降低到0.0005欧姆—厘米，这时液氢已成为完全导电的金属氢。压力从140万个大气压继续增大到180万个大气压，液氢的电阻率保持在同样的水平。
为什么在140万个大气压以上的压力下液氢的电阻率保持不变呢？ 这是因为，在低压下，两个氢原子倾向于形成一个氢分子，这时液氢是由相互分立的氢分子组成的。每个氢分子含有一对质子，其外围是带负电的电子云。从氢分子上移走一个电子需要15电子伏的能量，所以这时液氢是不导电的绝缘体。但是，在回荡的激波作用下，液氢中氢分子相互靠拢并被加热，从氢分子移走一个电子所需的能量降低，而且激波加热提供了所需的这部分能量，因此随着密度和温度的增加，液氢的电阻率逐渐降低，其导电率逐渐增大，表现出半导体的性能。当激波压力增加到140万个大气时，液氢的密度增加到0.32摩尔/厘米[3]，温度上升到2600°K，从氢分子移走电子所需的能量降至0.22电子伏。 在这种密度下，氢分子如此接近，以致它们的电子云相互重叠，电子可以自由地从一个分子跳到另一个分子。迅速地迁移，密度进一步增加对电子云的运动不再有任何影响，液氢的电阻率不再继续降低。此外，在这种状态下，有大约10％的氢分子分裂成原子。威廉.J.内利斯等人还用液氘作试样，也取得了类似的结果。
不过，他们尚未达到其最终目标，就是使固态氢转变成金属氢，由于固态氢中氢原子都固定分布在晶格中，电子迁移所需的能量增大，使其转变成金属氢所需的压力可能要比使液态氢转变成金属氢所需的压力高得多。使固态氢转变成金属氢将是一项更加艰难的任务。
对木星和土星内部结构模型的修正
威廉.J.内利斯等人的实验结果不仅有助于了解氢在超高压和高温下的导电率和其他性能，还直接有助于了解木星和土星的结构，对现有的结构模型作必要的修正。
木星和土星是太阳系中最大的两颗流体行星。木星的直径相当于地球的11.2倍，其质量相当于地球的318倍； 土星的直径相当于地球的9.4倍，其质量相当于地球的95倍。两者具有相似的结构和组成。以木星为例，行星学家认为，木星上空有约1000千米以上厚厚的大气层，主要由氢和氦组成，从表面向下到约18000千米深度（约为到中心的1/4 距离）为外幔层，由不导电的液态氢组成。在此深度，由重力而产生的压力高达300万个大气压， 使氢由双原子分子的绝缘流体转变成单原子的金属流体，由此深度直到中心为木星的内核，都是由液态金属氢组成。外幔与内核之间有明显的边界。但是，威廉.J.内利斯等人的实验结果表明，外幔与内核之间不可能有明显的边界，因为在液氢中，分子氢向原子氢的转变是连续的。在40万个大气压下，分子氢开始分裂， 在300万个大气压则全部分裂。在木星表面以下大约7000千米深度，压力可达到140万个大气压，这时液态氢就可能具有最低的导电率。因此， 木星的磁场在比以往想象的更接近表面的地方便产生了，这正是木星表面磁场高达10高斯的原因，而地球的磁场是在地表下深得多的外核内（由液态铁和镍组成）产生的，地表的磁场只有约0.5高斯。平均而言， 木星的磁场强度为地球的磁场强度的12倍，木星内核大量旋转的液态金属氢的对流产生了强大的磁场。
诱人的应用前景
未来的目标是能生产出固态金属氢，并在环境压力和室温下保持金属状态。一种可能的办法是首先压缩氢，然后迅速解除压力，使其保持固态金属的性质，就像把碳压缩成金刚石，然后解除压力，使其仍保持晶体结构。这个任务是艰巨的，因为氢分子具有很强的范德华力，即外加压力一解除，范德华力便推动氢分子彼此分开。解决这个问题的办法是找到一种添加剂，在高压下，添加剂约束住氢分子和原子，消除压力后，添加剂仍使氢分子和原子保持在原位。研制出这种固态金属氢材料将有广泛的应用前景：
室温超导体 自1911年11月荷兰莱顿大学实验物理学家翁尼斯发现汞在液氦的超低温（－269℃或4.2°K ）下电阻变为零的超导现象以来，已发现了数千种超导体，但这些超导体电阻变为零的临界温度相当低，目前最好的“高温”超导体的临界温度仍为150°K（－123℃）， 需用液氮冷却才能实际应用。某些物理学家预计，固态金属氢能在室温下无电阻地传导电流，应用它作超导材料必将使现代生活发生许多革命性变化：输电线不损失能量，计算机运行得更快，磁悬浮火车高速行驶，大量能量贮存在磁场中而不会有明显的损失等。
轻型结构 通过使用添加剂，可以把金属氢变得既稳定又坚固。添加剂在超高压下把氢分子和原子约束在一起，然后迅速降低温度和压力，使金属氢“淬火”。现今就是使用硼和磷作添加剂制造金属钯玻璃，通过“淬火”作用提高钯玻璃的强度。这样制造出的金属氢其密度仅为0.7克/厘米[3]，只及铝的密度的1/3、铁的密度的1/10。 尽管现在还不能预计金属氢的强度如何，最佳情况下用它来制造轻型汽车，肯定要比普通汽车节省燃料。
清洁燃料 固态金属氢能存储大量能量，在由固态转变成气态时便释放出来。虽然现在不能估计这个转变过程的效率，但这个转变的主要产物是氢，对环境来说是清洁的。如果固态金属氢所存储的能量能慢慢地释放，就可用它代替汽油或其他运输燃料；如果能较快地释放，就可用它作推进剂，每千克固态金属氢所产生的推力相当于每千克液氢—液氧火箭燃料的5倍；如果能极快地释放，就可用它作炸药。
聚变燃料小球 在惯性约束聚变中，使用氘—氚（DT）形成的氢作燃料。大功率激光压缩并加热这种燃料，使DT的原子核聚合。若用固态金属DT作燃料小球，由于其密度比其他形式（如气体或低温的普通固体）DT的密度高，在一定容积的靶室内可装更多些燃料，因而可提高聚变的效率，产生更多的聚变能。