理论教育 氢气,液氢,金属氢:物理世界的惊人探索

氢气,液氢,金属氢:物理世界的惊人探索

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:氢很轻,可以做氢气球。不过,不能让氢气球相互碰来碰去,一不小心,它就会爆炸。实验的时候,科学家把高纯度的氢气通入一个超高压装置,在-268.8℃的时候,加大压力,观察到氢气变成了黑色的固体,夹在两个透明的金刚石压砧之间。目前,我国的长征三号火箭、美国的航天飞机都采用液氢作为燃料,如果用金属氢来代替液氢,火箭的重量将大大减轻,体积也能缩小了。

氢气,液氢,金属氢:物理世界的惊人探索

氢,我们听说过,见到过它的用处,节日的时候,往往会看到许多氢气球升到空中,越飘越远,消失在视线之外。

关于氢,你知道些什么?

氢很轻,可以做氢气球。不过,不能让氢气球相互碰来碰去,一不小心,它就会爆炸。

氢还是未来的能源,也许能用氢去开动汽车,也许能用来当作核聚变燃料……

关于氢,你不知道的是什么?

也许你不知道,氢也会成为金属。是的,成为金属氢,像金、银、铜、铁、锡那样的金属。

乍一听,有些突然,气体的氢怎么与金属扯到一起了。细细想,这也不算荒唐。气体、液体、固体,这三种物质形态原本是可以互相转化的。我们最熟悉的水是液体;加热到100℃,就成了气体;冷到0℃以下,就冻成了冰。

日常生活给人的经验是,温度下降,越来越冷,气体向液体转化,液体向固体转化。现代生活还给人一个经验,对煤气施加压力,煤气就被压成液体,装在液化气罐里。

生活经验是符合科学规律的,降低温度、加大压力都可以使气体转化为液体,由液体转化为固体。根据这个科学规律,100多年前就有作家小说中描绘了氢气可以变成金属氢,在他笔下,金属氢仍能飘浮在空中,闪闪发亮。

作家写小说,想到了就可以写,不需要严格证明,是幻想,不是预言。1926年,英国物理学家贝纳尔却作出一个预言:只要有足够大的压力,任何元素都能变成金属。

这个预言真是胆大如天,“任何元素”的说法是不是太过分了。搞科学研究,付诸实践的行动,还得谨慎一些,先不说“任何元素”,哪怕只要挑一种元素来试试就够,这个元素就是氢。

在预言的提示下,1935年有科学家从理论上进行了计算,能使气球升空的氢气,若要转化为金属氢,首先要降低温度,降到-260℃;同时要加大压力,加大到250万个大气压或是更高一些。(www.daowen.com)

这么高的压力,很难制造出来,地核中心的压力是350万个大气压,人造压力要达到250万个大气压,还办不到。这样,实现这个预言的努力就停了下来,一直停了50多年,才总算在实验室里实现了这个目标。

实验的时候,科学家把高纯度的氢气通入一个超高压装置,在-268.8℃的时候,加大压力,观察到氢气变成了黑色的固体,夹在两个透明的金刚石压砧之间。这个“黑色的固体”体积太小了,只是一个薄片,非常薄的薄片。

它是金属氢吗?

是金属,就应该能够导电。因为金属氢体积太小,测量导电性时,不敢直接用导线连接,怕发生短路测不准,只能用间接的方法,测量出氢的电阻率突降到了原来的百万分之一,证实了氢已经成了导电的金属。

因为是间接测量,引起了一些人的怀疑,认为实验中施加的压力恐怕不够大,或者说实际没有达到预定的压力。是不是真的得到了金属氢,还有两种说法:得到了和没有得到。争论是有益的,仔细分析论点,大家都认为,降低温度、加大压力的确能使气体氢转变成金属氢,只是现在的实验还不能那么确定,还不能保证得到更多的金属氢。

这个实验更多的是给人以启示和希望,甚至使人激动。科学家们看出来,通过加大压力使气体氢变为金属氢以后,减小压力或撤去压力,金属氢仍然会保持稳定的金属状态。

如果真的是这样,金属氢就会成为人们梦寐以求的超导材料。现今的超导材料大多要求温度低到零下一二百摄氏度的条件,才能实现超导,而金属氢在一二十摄氏度时电阻就接近于零,就能实现超导。

金属氢还可能成为高密度、高储能的燃料,金属氢的储能密度大约是液态氢的8倍。目前,我国的长征三号火箭、美国的航天飞机都采用液氢作为燃料,如果用金属氢来代替液氢,火箭的重量将大大减轻,体积也能缩小了。

金属氢的储能密度是TNT炸药的30~40倍,用它直接作为炸药,那可了不得。不过,这有点可惜。用金属氢来造氢弹,氢弹就会体积更小,威力更大。不用来造氢弹,也可能成为未来受控核聚变的材料。

究竟氢能不能变为金属,目前还无法确定。不过,能把氢变为金属的预言,已经使人类开阔了眼界,看到了大量存在于地球上的氢,大量存在于宇宙中的氢,迟早有一天会得到利用,而且是以许多人想不到的方式被加以利用。

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