身体的

金属氢

通过重新创建统治于木星的核心的条件,氢以金属的形式获得。

威廉·纳利斯 科学#273
本文保留用于科学用户

加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔实验室气体炮弹长度约为20米,含有足够的氢气,以猛烈地爆炸到10款炸药棒。它拉动的射弹最长速度为七公里,声音速度超过20倍,步枪子弹的速度约为15倍。这台机器不是武器,而是一种研究仪器。它只需要几滴液体。

该液体由宇宙中最常见的元素:氢气制成。尽管结构非常简单(原子由质子和电子组成),但氢具有比我们想象更复杂的行为。在环境温度和压力下,氢是由两个原子分子组成的气体,但它在低于20个kelvins(-253℃)的温度下变成液体,并且固体低于14个开尔林。在这些各种状态下,氢是电绝缘。但是,在结束时 XIX.e 世纪,物理学家计算出高度压缩的氢气将使自己分离并成为金属。它还在元素周期性分类的第一栏中:碱金属的定期分类。

从1898年开始,苏格兰物理学家詹姆斯杜瓦液的液保式;他一年后凝固了他,但是,为了普遍惊喜,凝聚的阶段被证明是绝缘:氢以硅藻分子的形式保持并表现得像期定期分类的第七栏的卤素(氟,氯...... )。随着量子力学,氢行为的新理论出现。 1935年,在普林斯顿大学,Eugene Wigner使用该理论确认将绝缘硅藻分子固体以足够高的压力转化成单原子金属固体。后来,估计这种压力将在25至2,000只千兆卡帕尔,从大约250,000至2000万次海平面大气压。根据最近的计算,固体分子氢气将变为金属。来自400个千兆卡斯卡,约为400万大气压但是,根据X射线衍射测量,过渡压力将是约620种千兆卡斯卡。

获得这种压力,与在地球中心统治的那些相邻,压缩两个极硬的表面之间的样品。因此,在具有金刚石砧座的细胞中,压力达到500种GigapascAsal(见 具有金刚石砧座的高压电池,由A. Jayaraman, 科学,1984年6月)。使用此类小区,罗素HEMLy和Ho-kwang毛华盛顿,艾萨克Silvera,哈佛大学和康奈尔大学亚瑟·鲁夫(康奈尔大学)试图使氢金属在340千兆卡斯的压力下进行。虽然氢气已经凝固,但物理学家尚未测量其导电性,因为仪器在压力的影响下破裂。另外,它们没有制成金属液体氢,因为它迅速扩散通过电池的壁。

使用Livermore Gas Gun,我的同事和我自己已经设法压缩液体氢,使其变成液态金属。它在这个状态下仍然不到百万分之一秒,但它足以衡量其电导率。虽然我们还没有创造强大的金属氢气,但我们的结果概述了氢气在极端压力和温度下的行为。

氢气灭火!

我们在十年前开始了煤气炮的经验。该设备由公司开发 通用汽车 对于弹道的研究,日期从20世纪60年代。桶的更大版本的枪管减少了导弹模型,以便在高速测试中开始在大气中的影响。 Lawrence Livermore实验室最终获得了小桶,因为它允许将材料提交到极端条件,并且特别是研究流体氢的电导率。

当氢气的压力增加时,其熔化温度升高,超过1,500个kelvins,在100种千兆卡斯的压力下:必须加热以防止其固化。为了同时压缩和加热氢气,当滑动声音的壁时,诸如平面的冲击波:冲击波是突然的压力变化,突然的压力变化非常迅速地压缩分子,从而增加它们的温度。 1991年,我们开始使用气体桶产生液体氢气中回荡的冲击波。

在桶的一楼,填充有枪粉的气缸盖(高达3.3千克)将活塞放在10米长,直径九厘米的管中 (见图3)。该管含有60克气体氢气(它不是我们尝试制造金属的)。在压力触发阀门之前,活塞重视6.8千克的活塞,压缩高达0.1千兆卡帕斯卡。然后氢气渗透到枪管的第二级,由九米长的圆柱体和直径2.8厘米的圆柱体组成。由于比以前的管窄,但体积差异加速了气体。

在穿过阀门后,气体推动射弹(氢气是最佳的抛射物促进剂,因为其摩尔质量低于其他气体)。这款小型金属板重20克,每秒达到7公里,每小时超过25,000公里。在圆筒的末端,它撞击铝样品架,其包含两个蓝宝石板之间的液态氢层。在撞击之前,将氢气冷却至20个开尔林,以提高其密度。

冲击产生强大的冲击波,其穿过样品夹持器和液态氢。蓝宝石平板反映出来,使其在氢气上变成了十多次,产生了180个千兆卡帕斯卡压力和3,000个kelvins的温度。冲击波的混响和它在氢气中产生的压力是实验成功的关键:如果氢气受到单一冲击波,它会愈合太多。

在样品支架中,一旦检测到第一冲击波已经过分氢气,就可以立即启动触发器传感器。虽然样品不受约100纳秒的最大压力(百万分之一的一百万),但氢气有时间达到热平衡。另一方面,它没有时间从样品支架中广播或与其进行化学反应。

这种体验不安全。我们确保枪管氢不与目标房间的氧气混合,因为如果它们在一起反应,它们会使它们释放与两公斤的爆炸相同的能量 TNT.。特别是,我们检查了目标房间足以支持影响。我们还设计了我们的经验,使空气渗透,触发爆炸是不够的。我们在枪管烧制之后切割目标室的测量装置中的电流,使得没有火花可以点燃氢气。另外,在每次拍摄之后,我们将氮气引入目标室中以稀释惰性气体中的剩余氢气。

通过这种经验,我们认为观察靠近金属状态的液体氢,但我们无法解决声明。为了确定液态氢的电导率,我们在样品架的电极中发送了低电流。因此,我们测量了电阻率(电线到电流的电阻等于其电阻率乘以其长度并除以其横截面区域),达到93种GigaPascals,约为OHM-厘米和120只千兆卡斯卡,约0.005欧姆 - 厘米。这些值低于绝缘体,但大于金属的值,对应于半导体材料。当我们增加高达140种GigaPascAls的压力时,液体氢的电阻率降低至0.0005欧姆 - 厘米,表明它已成为金属。超越(最多180只千兆卡帕斯),它没有下降。

这些结果让我们感到惊讶,我们推迟了他们的出版物。显然,我们通过修改它们来重做实验,但我们也试图了解为什么电阻率恒定的压力。在低压下,氢原子具有强的对倾向,因此液体氢是完全分子的。由两个原子组成的每个分子含有由带负电的电子云包围的一对质子(带正电)。由于它需要大量的能量(15个电子源)用氢分子撕成电子,因此流体分子氢不会运输电流:它是绝缘的。另一方面,当氢分子通过压力彼此推动并被冲击波加热时,从一个分子填充电子到另一个分子的电能所需的能量。冲击波的热量提供这种能量,使得流体氢成为半导体。其电导率定期增加(虽然其电阻率下降)随压力和温度而增加。最后,在切换到金属状态时,一些电子被重新定位:它们留下初始分子并在整个样品中分布 (见图4).

在140种千兆卡斯卡斯的压力下,液体氢的密度为0.32摩尔/立方厘米,温度为2,600个kelvins。将氢分子的电子吹到0.22电压的另一墓穴所需的能量。分子如此接近,它们的电子云重叠:电子自由地从一个到另一个。密度的额外增加不会改变任何东西,这解释了当压力进一步增加时,氢的电阻率不再降低。另外,大约10%的分子解离原子:氢是分子,原子和,可能,超过两种质子的聚集体的混合物的形式。分子之间的碰撞在原子中不断破坏这些,重新组合自己以形成新分子。由于这种疾病,电子分散,并且材料具有无序金属的“最小电导率”。

木星在瓶子里

为什么导致流体氢的金属化的压力低于固体氢的金属化的金属化的压力?毫无疑问,因为固体的原子在晶体的节点处冷冻,所以阻碍了它们的电离。因此,我们的经历和解释导致了解木星和土星内发生的事情。这两个气态巨头一起的质量比地球大400倍。他们的大部分氢是金属;它产生这些行星的磁场。

在我们的实验之前,天体物理学家认为木星在其厚厚的混浊层下,具有电绝缘氢涂层,厚约18,000公里(星球半径四分之一)和液态金属氢气的核心。。因此,它们假设在涂层和芯之间存在透明边界,在压力(约300种Gigapascals)转化流体氢气,绝缘,金属氢,导电的深度处。然而,我们的结果表明,分子氢和单原子氢之间的过渡是进步的:分子氢开始在40种千兆位的压力下分离,并使其完全是约300种的千兆血管。电导率达到140只千兆卡帕斯卡金属和4,000个开塞尔蛋白:这种压力应出现在约7,000公里的深度。

因此,木星磁场起源的金属氢比我们认为更丰富,这将解释为什么行星的表面场(大约十个高斯)相对强烈。相比之下,地球磁场起源的铁芯更深地埋地,因​​为其半径在行星的两倍以下,因此表面场仅为0.5高斯。

氢气金属化的研究应通过惯性监禁促进核融合的发展。在这种类型的熔化中,将燃料“颗粒”放置,由氘和氚(氢的同位素)组成,在用非常强烈的激光脉冲照射的腔中。第一激光脉冲产生约100种GigapascAls的冲击波,并且以下脉冲作为我们经验中的冲击波的混响。在这些高压下了解氢的行为,激光脉冲的有效性将改善。

我们不是在发现的结束时。因此,如果我们设法制造了一旦产生的固体金属氢,那么一旦生产,在压力和室温下保持稳定(以及碳保留在金刚石形状),它将具有无数的应用,尤其是因为。它将是超导。然而,在氢气中,van der Waals的力,特别是排斥力是重要的:一旦压力降低,分子往往彼此远离。将与分子和氢原子结合的添加剂,并将它们保持在一起而不会改变它们的性质,它们是制造固体金属氢的关键吗?

我们已经推测了我们用这种材料做的事情:高压线不会遭受能量损失,计算机将更快,火车将浮动磁场......如今,超导体在低于150克尔维斯的温度下工作,因此我们必须用液氮冷却,这限制了它们的用途。固体金属氢气的密度靠近水,比铝轻三倍。它可以用于制造超轻结构,例如将消耗的汽车比今天更少消耗的汽车。它将存储大量的能量,这将通过蒸发而没有对环境的任何危险,有利地替换用于开始火箭火箭的本质或氢气和氧气混合物。它会使可行的核聚变......现在氢是迷人的悖论的主题:其行为似乎非常复杂,而它具有所有原子的最简单的电子结构。

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