Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и пока не получен в земных лабораторных условиях.
Содержание [убрать]
1 История исследований
2 Теоретические свойства
2.1 Переход в металлическую фазу
2.2 Жидкий металлический водород
2.3 Сверхпроводимость
3 Экспериментальные попытки получения
3.1 Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году
3.2 Исследования после 1996 года
3.3 Эксперименты 2008 года
3.4 Эксперименты 2011 года
4 Связь с другими областями физики
4.1 Астрофизика
5 Потенциальное применение
5.1 Топливные элементы
6 Интересные факты
7 Примечания
История исследований[править | править вики-текст]
В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа или 250 тысяч атмосфер) и потерю валентного электрона ядром[1]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к возможным эпизодам водорода в 1996, 2008 и 2011 году, однако, имеются сомнения в достоверности получения металлического водорода.
Теоретические свойства[править | править вики-текст]
Переход в металлическую фазу[править | править вики-текст]
При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связуются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.
Жидкий металлический водород[править | править вики-текст]
Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 2.17 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при еще более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах[2][3]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.[4][5]
Сверхпроводимость[править | править вики-текст]
В 1968 году было показано, что металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что значительно выше, чем для других сверхпроводящих материалов.[6]
Экспериментальные попытки получения[править | править вики-текст]
Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году[править | править вики-текст]
В 1996 году Ливерморская национальная лаборатория сообщила, что в ходе исследований были созданы условия для металлизации водорода и получены первые свидетельства его возможного существования[7]. Кратковременно (около 1 мс) было достигнуто давление более 100 ГПа (10^6 атм.), температура порядка тысяч градусов Кельвина при плотности вещества около 0.6 кг/м-3[8]. Поскольку предыдущие опыты по сжатию твердого водорода в алмазных тисках до 250 ГПа не дали результата, целью эксперимента не было получение металлического водорода, но только изучение проводимости образца под давлением. Однако, по достижении 140 ГПа электрическое сопротивление практически исчезло. Ширина запрещенной зоны водорода под давлением составила 0.3 эВ, что оказалось сравнимо с тепловой энергией kT, соответствующей 3000 К и что свидетельствует о переходе «полупроводник — металл».
Исследования после 1996 года[править | править вики-текст]
Продолжались попытки перевести водород в металлическое состояние статическим сдавливанием при низких температурах. А. Руофф и Ч. Нараяна (Корнелльский университет, 1998)[9], П. Лоувьер и Р. Летуле (2002) последовательно приближались к давлениям, наблюдаемым в центре Земли (324-345 ГПа), но все же не наблюдали фазового перехода.
Эксперименты 2008 года[править | править вики-текст]
Теоретически предсказанный максимум кривой плавления на фазовой диаграмме, указывающий на жидкую металлическую фазу водорода, был экспериментально обнаружен Ш. Деемьяд и И. Сильвера[10]. Группа М. Ереметца заявила о переходе силана в металлическое состояние и проявление сверхпроводимости [11], но результаты не были повторены.[12][13]
Эксперименты 2011 года[править | править вики-текст]
В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260-300 ГПа. [14], что вновь вызвало вопросы в научном сообществе.[15]

Связь с другими областями физики[править | править вики-текст]
Астрофизика[править | править вики-текст]
Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планетах. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. По некоторым гипотезам, приближение ядра к поверхности Юпитера отвечает за проявления сильнейшего магнитного поля планеты[источник не указан 182 дня].
Потенциальное применение[править | править вики-текст]
Топливные элементы[править | править вики-текст]
Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается до 20 крат энергии при сжигании этого количества водорода в кислороде[16].
Интересные факты[править | править вики-текст]
Металлический водород неоднократно упоминается в советском фильме Расписание на послезавтра (1979), действие которого происходит в физ-мат спецшколе.

Газовые гиганты (например, Юпитер) могут содержать большие запасы металлического водорода (серый слой)
Металлический водород — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при высоком давлении и претерпевшего фазовый переход.
*************************************************************Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми
*******************замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Возможно существование твердой кристаллической и жидкой фазы металлического водорода, в которой отсутствует дальний порядок.
**********************************************************
В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа) и потерю валентного электрона ядром[1].
***************************************************
Теоретические свойства:

Твердый металлический водород
Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.
***********************************************************
Жидкий металлический водород
Жидкий металлический водород образуется при плавлении твердого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при нормальном давлении и температуре ниже 2,17 K, существование жидкого металлического водорода в таких условиях ставится под сомнение. Энергия нулевых колебаний в массиве плотно упакованных протонов велика, и переход от кристаллической фазы ожидается при высоких давлениях.
*************************************************************
Сверхпроводимость
Металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что гораздо выше, чем в других материалах.
************************************************************
Связь с другими областями физики

Металлический водород может существовать в ядрах планет-гигантов.
************************************************************
Применение

Предлагаются топливные ячейки, использующие отдачу энергии фазового перехода металлического водорода в диэлектрическое состояние при снятии давления.

Ещё около 200 лет тому назад знаменитый французский химик Жан Батист Андре Дюма назвал водород газообразным металлом. Какие же необычные свойства самого лёгкого в природе газа дали основание учёному поставить его в один ряд с металлами? Почему спустя три десятка лет в разработанной Д. И. Менделеевым периодической системе элементов водород снова оказался в окружении лития, натрия, калия и других металлов? Ответы на эти вопросы кроются в физико-химических свойствах водорода и в строении его атома.
Вступая в химическую реакцию, водород отдаёт свой электрон и заряжается положительно, то же самое происходит и с металлом. Но у последнего есть существенная особенность, которая, может быть, и является единственным препятствием на пути превращения водорода в металл. Весь секрет заключается в кристаллической решётке, атомы металла расположены в ней, как апельсины на витрине фруктового магазина. Такая близость атомов друг к другу и относительная удалённость внешних ядерных электронов от собственных ядер приводит к тому, что электроны легко покидают свои атомы и хаотически кочуют от одного атома к другому. Совсем иное положение у газообразного водорода, здесь расстояние между атомами в сотни раз больше, да и электрон сильнее связан с ядром.
Именно на это различие в строении веществ и обратил внимание английский учёный Джон Бернал. Ход его рассуждений предельно логичен. Для превращения вещества в металл нужно добиться плотной упаковки атомов. Поэтому любое вещество, подвергнутое сильному сжатию, может стать металлоподобным — вот эта мысль и легла в основу гипотезы, выдвинутой им в 1925 году. А спустя несколько лет учёные Э. Вигнер и Х. Хантинтон сделали расчёты требующегося давления. Оказалось, что у водорода, сжатого до 1000 атм., расстояния между атомами уменьшаются лишь в 10 раз, сжатого до 1 млн. атм. — в 100 раз и становятся близкими расстояниям между атомами в кристаллической решётке. Металлический водород, сделали вывод теоретики, можно получить при давлении от 1 до 2,6 млн. атм. Такую задачу и поставили они перед инженерами. Но существовавшая в 30-х годах техника не смогла достигнуть рубежа столь высокого давления, и идее металлического водорода оставалось лишь дожидаться своего часа.

Теоретические свойства[править | править вики-текст]
Переход в металлическую фазу[править | править вики-текст]
При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связуются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород[править | править вики-текст]
Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 2.17 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при еще более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах[2][3]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.[4][5]

Сверхпроводимость[править | править вики-текст]
В 1968 году было показано, что металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что значительно выше, чем для других сверхпроводящих материалов.[6]

Переход в металлическую фазу
При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связуются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород
Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 2.17 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при еще более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.

Сверхпроводимость
В 1968 году было показано, что металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что значительно выше, чем для других сверхпроводящих материалов.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
- совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние состояния металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода [2]. При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T =0 К и давлении r =300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, диссоциацией молекул H2 и металлич. кристалл становится атомарным [3]. При T >10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает плавление металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД - совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние состояния металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода [2]. При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T = 0 К и давлении r = 300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, диссоциацией молекул H2 и металлич. кристалл становится атомарным [3]. При T > 10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает плавление металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.

В нормальных условиях водород — газообразный диэлектрик. Согласно теоретическим предсказаниям, сжатый под давлением в 4 млн атмосфер водород должен перейти в металлическое состояние. Большой интерес к проблеме металлического водорода связан прежде всего с вероятным существованием в нём комнатнотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, некоторые ученые предполагают, что в определенном интервале температур и напряженностей внешнего магнитного поля водород-металл будет сверхтекучим сверхпроводником — жидкостью с нулевой вязкостью и нулевым сопротивлением. Однако до сих пор подобный переход диэлектрик–металл в водороде не наблюдался, поскольку необходимое для такой трансформации давление находится на пределе экспериментальных возможностей. Американо-российская группа ученых предлагает для изучения экзотических свойств металлического водорода использовать «обогащенные» водородом гидриды лития — LiHn (n = от 2 до . Компьютерное моделирование, проведенное исследователями, показало наступление металлической фазы в LiHn при давлении, в 4 раза меньшем, чем требуется для водорода, то есть уже в технологически реализуемых условиях.

В нормальных условиях водород — газообразный диэлектрик. Согласно теоретическим предсказаниям, сжатый под давлением в 4 млн атмосфер водород должен перейти в металлическое состояние. Большой интерес к проблеме металлического водорода связан прежде всего с вероятным существованием в нём комнатнотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, некоторые ученые предполагают, что в определенном интервале температур и напряженностей внешнего магнитного поля водород-металл будет сверхтекучим сверхпроводником — жидкостью с нулевой вязкостью и нулевым сопротивлением. Однако до сих пор подобный переход диэлектрик–металл в водороде не наблюдался, поскольку необходимое для такой трансформации давление находится на пределе экспериментальных возможностей. Американо-российская группа ученых предлагает для изучения экзотических свойств металлического водорода использовать «обогащенные» водородом гидриды лития — LiHn (n = от 2 до . Компьютерное моделирование, проведенное исследователями, показало наступление металлической фазы в LiHn при давлении, в 4 раза меньшем, чем требуется для водорода, то есть уже в технологически реализуемых условиях.

Химический знак водорода это H
Приступая к рассмотрению химических и физических свойств водорода, необходимо отметить, что в привычном состоянии, этот химический элемент находится в газообразном виде. Бесцветный газ водород не имеет запаха, он безвкусен. Впервые данный химический элемент был назван водородом после того, как ученым А. Лавуазье были проведены опыты с водой, по результатам которых, мировая наука узнала, что вода – это многокомпонентная жидкость, в состав которой входит Водород. Событие это произошло в 1787 году, но задолго до этой даты водород был известен ученым под названием «горючий газ». про металлический не слышала)

Химический знак водорода это H
Приступая к рассмотрению химических и физических свойств водорода, необходимо отметить, что в привычном состоянии, этот химический элемент находится в газообразном виде. Бесцветный газ водород не имеет запаха, он безвкусен. Впервые данный химический элемент был назван водородом после того, как ученым А. Лавуазье были проведены опыты с водой, по результатам которых, мировая наука узнала, что вода – это многокомпонентная жидкость, в состав которой входит Водород. Событие это произошло в 1787 году, но задолго до этой даты водород был известен ученым под названием «горючий газ».

имический знак водорода это H
Приступая к рассмотрению химических и физических свойств водорода, необходимо отметить, что в привычном состоянии, этот химический элемент находится в газообразном виде. Бесцветный газ водород не имеет запаха, он безвкусен. Впервые данный химический элемент был назван водородом после того, как ученым А. Лавуазье были проведены опыты с водой, по результатам которых, мировая наука узнала, что вода – это многокомпонентная жидкость, в состав которой входит Водород. Событие это произошло в 1787 году, но задолго до этой даты водород был известен ученым под названием «горючий газ».

В нормальных условиях водород — газообразный диэлектрик. Согласно теоретическим предсказаниям, сжатый под давлением в 4 млн атмосфер водород должен перейти в металлическое состояние. Большой интерес к проблеме металлического водорода связан прежде всего с вероятным существованием в нём комнатнотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, некоторые ученые предполагают, что в определенном интервале температур и напряженностей внешнего магнитного поля водород-металл будет сверхтекучим сверхпроводником — жидкостью с нулевой вязкостью и нулевым сопротивлением

Химический знак водорода это H
В привычном состоянии, этот химический элемент находится в газообразном виде. Бесцветный газ водород не имеет запаха, он безвкусен. Впервые данный химический элемент был назван водородом после того, как ученым А. Лавуазье были проведены опыты с водой, по результатам которых, мировая наука узнала, что вода – это многокомпонентная жидкость, в состав которой входит Водород. Событие это произошло в 1787 году, но задолго до этой даты водород был известен ученым под названием «горючий газ».

Водород является чрезвычайно теплотворным химическим топливом. Кроме того, при сжигании водорода образуется только вода, в то время как другие топлива загрязняют атмосферу оксидами углерода, азота и несгоревшими остатками топлива.
Водород используется в качестве горючего в современной ракетной технике. Российская ракета-носитель "Энергия" способна выводить на орбиту более 100 тонн различных грузов благодаря водородно-кислородным двигателям. В ее баках находятся жидкий кислород и жидкий водород.

Раз ВАМ так интересно то-Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и пока не получен в земных лабораторных условиях.

При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связуются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Узнал. Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и пока не получен в земных лабораторных условиях.

Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и пока не получен в земных лабораторных условиях.

Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и пока не получен в земных лабораторных условиях.