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金屬氫是什麽

液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導電體、由於導電是金屬的特性,故稱金屬氫。

早在1935年,英國物理學家就預言,在壹定的高壓下,任何絕緣體都能變成導電的金屬,只是,不同的材料轉變成導電金屬所需的壓力不同而已,有的材料,如磷,已能獲得導電體,但穩定的金屬氫樣品始終沒有得到。在蘇聯、日本、美國的幾個實驗室中,只在上百萬大氣壓的超高壓下得到了金屬氫,不過,壹旦恢復常壓,氫又回復到初始狀態。判斷得到了金屬氫,依據是當處於高壓下時,它的電阻從108歐姆變為102歐姆(蘇聯人的數據),或從1.26×1012歐姆降到102歐姆(日本人的數據)。

從理論上來看,在超高壓下得到金屬氫是確實可能的。不過,要得到金屬氫樣品,還有待科學家們進壹步研究。 盡管目前還末把金屬氫拿到手,但理論工作者推斷,金屬氫是壹種高溫超導體,是高密度、高儲能材料。

已掌握的超導材料大多需在液氦(-269℃)冷卻下使用,這使超導技術的發展受到限制。金屬氫的超導臨界溫度(即體現超導性質主最高溫度)是-223--73℃,能夠在液氮(-196℃)溫度下使用這將大大推動超導技術的發展。

由於金屬氫是高密度材料,用它作燃料,火箭的體積和重量都會大大減小,航天事業將因此而產生巨大的飛躍。

和化學家不同,天文學家將氫和氦以外的壹切元素統稱為金屬。在高溫和高壓條件下,氣態的氫也可以成為電導體的金屬氫。以木星為例:最外層是1000公裏厚的氣態分子氫,再往下是24000公裏厚的液態分子氫,再往下是45000公裏厚的液態金屬氫。

金屬氫

氫是人們最熟悉的化學元素。它在常溫下是壹種氣體,在低溫下可以成為液體,在溫度降到零下259℃時即為固體。如果對固態氫施加幾百萬個大氣壓的高壓,就可能成為金屬氫。金屬氫的出現是當代超高壓技術創造的壹項奇跡,它是目前高壓物理研究領域中壹項十分活躍的課題。

氫在金屬狀態下,氫分子將分裂成單個氫原子,並使電子能夠自由運動。在金屬氫中,氫分子鍵斷裂,分子內受束縛的電子被擠壓成公有電子,這種電子的自由運動,使金屬氫具有了導電的特性。因此,把氫制成金屬,關鍵就是把電子從原子的束縛下解放出來。

1936年美國科學家維那對氫轉變為金屬的壓力作了首次計算,提出了氫轉變為金屬的臨界壓力是在100萬到1000萬大氣壓的範圍以內。目前在世界各國正通過多種途徑來產生超高壓制取金屬氫。比較成熟的有兩種方法,壹種叫動態壓縮法,即是從強磁場中采用快速沖擊壓縮,獲取高壓來制取金屬氫。另壹種叫靜態壓縮法,即采用1000t重以上的壓力機或用將近10層樓高的水壓機來產生100~200萬大氣壓的高壓,壓縮液氫來制造金屬氫。

為什麽人們如此費盡心血地來研制金屬氫呢?這是因為壹旦金屬氫問世,就如同當年蒸汽機的誕生壹樣,將會引起整個科學技術領域壹場劃時代的革命。

金屬氫是壹種亞穩態物質,可以用它來做成約束等離子體的“磁籠”,把熾熱的電離氣體“盛裝”起來,這樣,受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能,而這種電能將是廉價的又是幹凈的,在地球上就會方便地建造起壹座座“模仿太陽的工廠”,人類將最終解決能源問題。

金屬氫又是壹種室溫超導體,它將甩掉背在超導技術“身上”的低溫“包袱”。超導材料是沒有電阻的優良導體,但現在已研制成功的超導材料的超導轉變溫度多在零下250℃左右,這樣的低溫工作條件,嚴重地限制了超導體的應用。金屬氫是理想的室溫超導體,因此,可以大顯身手。

用金屬氫輸電,可以取消大型的變電站而輸電效率在99%以上,可使全世界的發電量增加四分之壹以上。如果用金屬氫制造發電機,其重量不到普通發電機重量的10%,而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。

金屬氫還具有重大的軍用價值。現在的火箭是用液氫作燃料,因此必須把火箭做成壹個很大的熱水瓶似的容器,以便確保低溫。如果使用了金屬氫,火箭就可以制造得靈巧,小型。金屬氫應用於航空技術,就可以極大地增大時速,甚至可以超過音速許多倍。由於相同質量的金屬氫的體積只是液態氫的1/7,因此,由它組成的燃料電池,可以較容易地應用於汽車,那時,城市就不再像現在這樣喧嘩、汙染而變得十分清潔、安靜。

金屬氫內儲藏著巨大的能量,比普通TNT炸藥大30—40倍。因此,金屬氫聚變時釋放的能量要比鈾核裂變大好多倍。伴隨著金屬氫的誕生必將會產生比氫彈威力大好多倍的新式武器。

從20世紀40年代開始,美、日等國就投入了大量的人力、物力研制金屬氫。目前,世界上的高壓實驗室已達100多個。美國已研制成功了能產生100萬大氣壓的壓力機,日本研制成功了“分離球體式多級多活塞組合裝置”能產生200萬個大氣壓。近年來,日本等幾個國家宣布已在實驗室內研制成功了金屬氫,這是人類向金屬氫邁出了可喜的壹步。而要使金屬氫大規模投入工業生產,還有相當大的困難。但它已有力地推動和促進了超高壓技術、超低溫技術、超導技術、空間技術、激光、原子能等20多門科學技術向著新的深度發展。可以預言,大規模制造金屬氫的時代已為期不遠了。