|
|
Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные |
Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения |
Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела |
|
| Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки) | |||
|
Навигация: => |
На главную / Физика / Исследования / |
|
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
Какие сюрпризы таятся в водороде - самом распространённом элементе вселенной? Казалось бы всё давно изучено. Но всё-таки и сегодня эта тема ещё не закрыта.
Еще в 1935 году появилась классическая работа Е. Вигнера и Х. Хантингтона, в которой они впервые предположили, что водород при высоких давлениях из газа-диэлектрика превратится в проводящий металл. По их расчетам твердый металлический водород должен был иметь объемно-центрированную решетку (при 0 К и нулевом давлении), а его плотность при тех же условиях должна быть существенно выше плотности твердого молекулярного водорода (0,59 г/см3 вместо 0,089 г/см3).
Превращение,
по мнению авторов, должно было произойти
при давлении примерно 250 тыс. атм., а кроме
того, они полагали, что для перехода нужны
зародыши новой фазы. В 1968 году Н. Ашкрофт
предсказал, что металлический водород
будет обладать совершенно необычными
свойствами, например сверхпроводимостью
при высоких температурах (больше 200К).
Более того, ученые предположили, что
металлический водород будет быть в
виде жидкости. Это еще больше подогрело
любопытство исследователей. Проблему
сжатого водорода внесли в список наиболее
важных задач физики твердого тела.
Самая простая молекула оказалась совсем непростой прошло почти семьдесят лет, а ученые не только не получили металлический водород, но даже не имеют пока точных теоретических методов для построения модели этого процесса.
Пик исследований металлического водорода пришелся на 60-70-е годы прошлого столетия. Эта проблема была интересна, в частности, астрофизикам. Солнце и тяжелые планеты (Юпитер, Сатурн) более чем на 90% состоят из водорода. Кроме того, ученые предполагают, что, поскольку на Юпитере довольно низкая температура (100-200К) и сильное магнитное поле, то, если водород там находится в металлической фазе и проявляет свои сверхпроводящие свойства, это должно привести к множеству интересных явлений. Но самое интересное то, что проблема сверхпроводящего металлического водорода, возможно, вовсе не теоретическая, а вполне прикладная.
В 1971 году появились работы наших теоретиков (группа Ю. Кагана), которые доказывали, что металлический водород может оказаться метастабильным. Это значит, что после снятия высокого давления водород не превратится снова в газ-диэлектрик, а останется металлом. Вопрос в том, будет ли время существования такой метастабильной фазы достаточным, чтобы измерить ее свойства и успеть ее применить.
Хорошо известный пример искусственный алмаз (метастабильная фаза углерода, в которую превращается стабильная фаза графит). Время жизни метастабильного алмаза так велико, что человечество применяет его не одно десятилетие. Ну а о том, на что пригодится сверхпроводящий при почти нормальных температурах водород, можно долго строить предположения.
Пока это все фантазии. Как будет на самом
деле, неизвестно, поскольку никому так и не
удалось «подержать в руках» металлический
водород.
Хотя как только его не сжимали!
Для получения сверхвысоких давлений используют обычно или алмазные наковальни (статическое сжатие), или взрывные методы (динамическое сжатие).
Алмазная наковальня приспособление довольно простое и небольшое (правда, стоит она 10 000 долл). Два алмаза ограняют специальным образом (а вот это очень непросто) и между их центральными плоскими поверхностями внутри полости располагают образец. В полости обязательно есть металлическая прокладка. После того как камни сдавливают, на образец действует давление, обратно пропорциональное площади нижней плоской части алмаза, диаметр которой 20- 600 мкм.
Работать с водородом очень трудно. Он не только физически проникает в металл прокладки и делает его хрупким, но и вступает с ним в химические реакции, образуя гидриды. Сжатый до определенного давления, водород переходит в молекулярное кристаллическое состояние, превращаясь в довольно необычную субстанцию. Вероятно, это связано со свойствами молекулы водорода она такая легкая, что даже в твердом кристаллическом состоянии при небольших давлениях молекулы продолжают вращаться.
За
последние четверть века после изобретения
алмазных наковален исследователи системно
изучили свойства твердого водорода вплоть
до
давления 2 млн. атм.(последний рекорд 3.75 млн.
атм.) Теперь ученые знают, что даже при этих
давлениях существуют, по крайней мере, три
фазы металлического водорода, причём
каждая из них совершает переход диэлектрик
- металл при своём значении давления. Одна
при 1.6 млн. атм. , когда другие фазы ещё
остаются диэлектриками. Последние
теоретические данные позволяют надеяться,
что весь водород перейдёт в металлическую
фазу при 4 млн. атм. ( при 0 гр. К)
Опять же остается открытым вопрос, распадается ли при этом водород на атомы или остается в молекулярном состоянии. Уже известно, что «коллеги» водорода по свойствам бром и йод становятся проводниками при высоком давлении именно в процессе плавления, то есть в атомарном виде. С другой стороны, есть данные, что в статических экспериментах при достигнутых давлениях водород находится в основном в виде молекул.
Гораздо более продуктивный способ получения высоких давлений взрывной метод, когда экспериментаторы ударяют по ячейке с образцом металлическими пластинами или струей газа, ускоренными до гиперзвуковых скоростей. Сейчас существуют установки однократного ударного сжатия, в которых водород можно сжимать до 10 млн. атм.
В момент удара, когда давление достигает миллионов атмосфер, водород неизбежно нагревается до тысяч градусов Кельвина и переходит в жидкое состояние. Ученые пытаются придумать, как уменьшить температуры в эксперименте, но пока это все равно тысячи градусов. Более того, через микросекунды, когда заканчивается действие ударной волны, водород опять становится газом, поэтому померить что-то очень сложно.
Но, решая проблему атомной бомбы, ученые научились с этим справляться. В динамических экспериментах измеряют плотность водорода, просвечивая образец рентгеновским излучением, либо судят о том, что происходит, по сигналам от оптических и электрических датчиков. Таким образом давление в таких опытах величина расчетная.
Последний рекорд 15 млн. атм. Больших давлений удалось достичь ученым из Ливерморской национальной лаборатории(США), а в России исследователям из Всесоюзного научно-исследовательского института экспериментальной физики (г. Саров) и Института проблем химической физики РАН (г. Черноголовка).
Измеряя сопротивление в динамических экспериментах, исследователи видели, что водород становится проводником, с проводимостью почти как у жидких металлов. Но эта проводимость все-таки слабо зависела от температуры, что свидетельствует, что водород еще не металл. Ученые характеризуют состояние водорода, которое они наблюдают в динамических экспериментах, как «неупорядоченная проводящая среда» (неупорядоченная так как температуры слишком высоки) или «плотная низкотемпературная неидеальная плазма», а появляющийся эффект проводимости «ионизация давлением»
Так что ждём...
Версия для печати
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 15.01.2004гг
Created/Updated: 25.05.2018