МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
 Оставьте
комментарий 
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 существовать 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
вверх
|
