探秘金属氢：科学百科86期解析金属氢的奥秘

文章编号：13443 / 更新时间：2024-03-02 15:05:32 / 浏览：次

本期为大家带来： 《你了解吗——现代科学中的100个问题》 本书是阿西莫夫的杰出作品之一。作者以通俗的语言，深浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。作者对这些问题的起、目前的状况以及是否有望解决等问题均做了解答。

第八十六个问题：什么是金属氢？氢怎样能成为金属？当我们看到一种金属时，我们都道它是金属，因为金属具有一些特殊的性质。金属表面光滑时，它们能够高效反射光线，因此具有金属光泽；而非金属则没有高反射能力，因无光泽的颜色。金属易于变形，可以制成金属板或拉成金属线；而非金属受到撞击时会破裂，碎裂或成为粉末。金属易导热和导电；非金属具备这种性质。为什么会有这种差异？在许多普通化合物中，例如在我们周围可见的海洋和土壤中的分子都是由原子组成的，这些原子因共享而紧密结合在一起。每个电子都被束缚在一个原子或另一个原子上。当出现这种情况时，物质表现出非金属性质。根据这一准则，氢被归为非属。

普通氢分子由两个氢原子组成。每个氢原子只有一个电子，这两个氢原子平均共享构成一个分子的两个电子。剩余无电子。当一些子束缚不牢固时会发生什么呢？举例来说，看看钾元素。每个钾原子有19个电子，排列在4个壳层中，只有外层壳层中的电子可供共享。在原子的情况下，表示只有一个电子可供相邻原子共享。外层电子受控制较不严密，因为外层电子与吸引其核心原子之间有其他电子壳层，些中间壳层使外层电子远离中心引力。在固态钾中，原子结合像我们在水果店里看到的堆成锥形的桔子一样密集。每个钾原子都有8个相邻原由于外层电子不受严格限制，而且有许多接近的相邻原子，因此任何外层电子都容易从一个相邻原子转移到另一个相邻原子。但正是这些活跃的使钾原子可以如此紧密结合在一起；使得钾具有导热、导电、变形的性质。这些活跃的电子使钾（以及其他元素和这些元素的混物）具有金属性质。

请记住，氢类似于钾，只有一个电子可供相邻原子共享。但两者之间也存在一些不同之处。在氢中，一个（仅有一个）电与核心原子之间不存在隔离电子。因此，这个电子被控制得相对紧密，无法产生足够的运动以使氢转变为金属，或迫使氢原子结合在一起。然而如果氢受到外力作用，会发生什么呢？如果氢不是因其电子状况而是由外部压力迫使其结合在一起，将会怎样呢？假设有足够的压力将氢原子压在一起，以至每个原子被8个、10个甚至12个邻近原子包围。这样，每个氢原子的单个电子，尽管核心具有极强的吸引力，仍然可以从一个邻子滑动到另一个邻近原子。这样便得到了金属氢。为了使氢紧密结合在一起，氢原子必须处于接近纯净状态（其他种类原子的存在会产生干扰），并处于太高的温度下（高温会使其膨胀）。氢原子还必须处于巨大压力下。在整个太阳系中，最接近满足这些条件的地方可能就是木星的中心，此有人认为，木星内部可能由金属氢构成。

86、什么是金属氢？氢怎么能成为金属？

当金属表面光滑时，它们反射光的效率很高，因此它们具有一种“金属光泽”；但非金属却没有很高的反射能力，因而具有一种“无光泽的颜色”。金属容易变形，能够制成金属板和拉成金属线；而非金属在受到打击时会被打碎，破裂或成为粉末。金属易于导热和导电；非金属却不能。在多大数普通化合物中，例如在我们周围，看得见的海洋里和土壤里的那些化合物分子是由原子所构成的，这些原子由于共同享有电子而紧密地保持在一起。这里的每一电子都紧紧地被束缚在某一个原子或另一个原子上。当出现这种情况时，物质就表现出非金属性质。根据这种准则，氢是一种非金属。普通的氢分子是由两个氢原子构成的。每个氢原子只有一个电子，构成一个分子的两个氢原子平均共享那两个电子。没有剩下的电子。例如，我们看一看元素钾吧。每个钾原子都有19个电子，它①黑洞体积为零吗？这种说法是不是不够严格？请高手指教。 ——碧声注　们排列在4个壳层中，只有最外面壳层中的电子可供共享。在钾原子的情况下，这就意味着它仅仅有一个电子可以为相邻原子所共享。再则，这个最外面的电子被控制得特别松，因为在它和吸引它的中心原子核之间有另一些电子壳层，这些中间壳层把最外面的电子同中心引力隔开了。在固体钾中，原子紧密地结合在一起，就像我们有时在水果店里看到的桔子堆成角锥形那样。每个钾原子有8个相邻原子。由于最外面的电子被控制得很松，而且许多相邻原子又如此靠近，因而任何一个最外面的电子都易于从一个相邻原子滑到另一个相邻原子。可是，正是这些松而活动的电子，使得钾原子有可能这样紧密地结合在一起；使钾有可能易于导热和导电；也就使钾有可能变形。总之，这些松而活动的电子使钾（和其他元素以及含有这些元素的混合物）具有金属性。现在记住，氢像钾一样，仅仅有一个电子可以为相邻原子所共享。然而，还有一个不同之处。在氢的一个（仅仅是一个）电子和中心原子核之间没有起隔离作用的电子。因此，这个电子被控制得太紧了一些，以致不能进行足够的运动来把氢转变为金属，或者迫使氢原子紧密地结合在一起。但是，如果氢获得了外力，那会出现什么情况呢？如果氢不是由于本身电子的情况而是外界的压力迫使它们紧密地结合在一起，那又会怎么样呢？假定有足够的压力把氢原子非常紧密地挤在一起，以致各个原子都被8个、10个甚至12个近邻原子所包围。于是，每个氢原子的单个电子，不管原子核有异常强的吸引力，就可能开始从一个相邻原子滑到另一个相邻原子。这样你就会得到“金属氢”。为了迫使氢这样紧密地结合在一起，氢原子必须处在一种近于纯粹的状态中（其他种原子的存在会产生干扰），并且不是在太高的温度下（高温会使它扩张）。氢原子还必须处在巨大的压力下。在太阳系中最接近于满足这些条件的地方是在木星的中心，因此有些人认为，木星的内部也许是由金属氢所构成的。

金属氢到底是什么？

Paul Sutter是俄亥俄州立大学的天体物理学家和COIS科学中心的首席科学家。萨特还是“问一个太空人”和“太空广播”的主持人，并领导世界各地的太空旅行。萨特将这篇文章贡献给了《太空专家之声：评论与洞察》。

固体。液体。加油。在我们正常的日常生活中，围绕着我们的材料被分成三个整齐的阵营。加热一个固体立方体的水（又称冰），当它达到一定的温度时，它就会变成液体。继续加热，最终，你会得到一种气体：水蒸气。

每一个元素和分子都有自己的“相图”，如果你对它施加特定的温度和压力，你应该会遇到什么。这张图对于每一种元素都是独一无二的，因为它取决于精确的原子/分子排列以及在各种条件下它如何与自身相互作用，所以科学家们要通过艰苦的实验和细致的理论来梳理出这些图。[2017年最奇怪的太空故事]

说到氢，我们通常根本不会遇到它，除非它与氧气混合，形成更熟悉的水。即使我们在孤独中得到它，它的羞怯也阻止了它单独与我们相互作用——它以双原子分子的形式配对，几乎总是以气体的形式配对。如果你把一些放在瓶子里，把温度降到33开尔文（零下400华氏度或零下240摄氏度），氢就会变成液体，在14 K（零下434华氏度或零下259摄氏度）时，氢就会变成固体。

你会认为在温度刻度的另一端，氢的热气会停留…热气。这是真的，只要压力保持在低水平。但是高温和高压的结合导致了一些有趣的行为。

木星深潜水

在地球上，正如我们所看到的，氢的行为是直接的。但是木星不是地球，在木星大气的大带和漩涡风暴的内部和下方发现的大量氢可以被推到它的正常极限之外。

深埋在木星可见表面之下，压力和温度急剧上升，气态氢慢慢地被一层超临界气液混合物所取代。由于这些极端条件，氢不能稳定到可识别的状态。它太热了，不能保持液态，但压力太大，不能像气体一样自由漂浮——这是一种新的物质状态。

下降得更深，它变得更奇怪。

即使在云顶下的一层薄薄的混合态中，氢仍然以二对一的双原子分子的形式反弹。但在足够的压力下（比如说，比海平面上的地球气压高出一百万倍），即使是那些兄弟般的结合也不足以抵抗压倒性的挤压，它们会断裂。

结果，在云顶下大约8000英里（公里）以下，是一个自由氢原子核的混乱混合体只是单个质子-与释放的电子混合。这种物质还原为液相，但氢的组成部分现在已完全分解。当这种情况在非常高的温度和低压下发生时，我们称之为等离子体——与太阳的主体或闪电的物质相同。

，但在木星的深处，压力迫使氢的行为与等离子体大不相同。相反，它具有更类似于金属的特性。因此：液态金属氢。

即金属

，元素周期表上的大多数元素都是金属：它们坚硬而有光泽，有利于形成良好的导电体。这些元素从它们在常温和常压下的排列中获得这些特性：它们连接起来形成晶格，并且每个人都会向社区罐捐赠一个或多个电子。这些离解的电子自由地游荡，随意地从一个原子跳到另一个原子。

如果你拿一块金熔化它，你仍然拥有金属的所有电子共享优势（除了硬度），所以“液态金属”并不是一个完全陌生的概念。一些通常不是金属的元素，比如碳，可以在一定的排列或条件下具有这些性质。

，因此，乍一看，“金属氢”不应该是一个奇怪的概念：它只是一种非金属元素，在高温高压下开始表现为金属。[实验室制造的‘金属氢’可以彻底改变火箭燃料]

一旦退化，总是退化的

有什么大惊小怪的

大惊小怪的是，金属氢不是一种典型的金属。各种各样的金属都有一种特殊的离子晶格，嵌在自由漂浮的电子海洋中。但是一个被剥离的氢原子只是一个质子，一个质子不能做任何事情来建立一个晶格。

当你挤压一根金属棒时，你正试图迫使相互连接的离子更紧密地结合在一起，这是他们绝对讨厌的。静电斥力提供了金属所需的全部支撑力。但是质子悬浮在液体中？那应该更容易压扁。木星内部的液态金属氢怎么能承受木星上方大气的重压呢？”

的答案是简并压力，一种极端条件下物质的量子力学怪癖。研究人员认为，只有在奇异的、超致密的环境中，比如白矮星和中子星，才有可能发现极端的情况，但事实证明，我们的太阳后院就有一个例子。即使当电磁力被压倒时，像电子这样的相同粒子也只能被紧紧地挤在一起——它们拒绝共享相同的量子力学状态。

换句话说，电子永远不会共享相同的能级，这意味着它们将不断地相互堆积，永远不会靠近，甚至如果你真的，真的很用力地挤压，

另一种看待这种情况的方法是通过所谓的海森堡不确定原理：如果你试图通过推动电子来确定它的位置，它的速度会变得非常大，从而产生一种压力力来阻止进一步的挤压。

木星的内部这真的很奇怪——一个由质子和电子组成的汤，被加热到比太阳表面更高的温度，承受着比地球强一百万倍的压力，并被迫揭示了它们真正的量子性质。

通过听“世界上什么是金属氢”这一集来了解更多在Ask A Spaceman播客上，可在iTunes和askaspaceman网站上找到。感谢Tom S.，@Upguntha，Andres C.和Colin E.提出的问题！使用AskASpaceman在Twitter上提问，或者关注Paul@PaulMattSutter Facebook/PaulMattSutter。

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金属氢引起的纷争探索，人类渴望的终极燃料是什么？

金属氢其实就是现在人类所需要的“终极燃料”，但是金属氢的存在有待证实。我们都知道，现代战争和古代那种为了争夺王权合法性，和为了争夺地盘的战争有所不同，很大程度上是一种“资源战争”，比如说美帝国主义，就是为了“石油”在中东屡次介入当地的事态发展。不过近年来，科学界出现了一种据说能解决人类所有需求的终极燃料“金属氢”。这到底是怎么一回事呢？

所谓的金属氢，按照一些科研人员的构想，他的主要目的是应用于火箭燃料。我们都知道，火箭的燃料其实是非常苛刻的：必须要达到一定程度上的热量，才能满足它的基本条件。而金属氢，其实就是一种能够大量散发出热量的资源，据现在的一些科学模型来推断，金属氢通过技术手段转化为氢气之后，会在转化过程中散发出大量的热量，以供使用；而且最令人振奋的一点，其实还不是这个“热量”，而是在假设中，只要金属氢达到了一定的数量，就可以维持电流的活性，不会产生额外的损失，达到一种“永动机”的效果。

不过到底存不存在金属氢这种资源，在目前的科学界还有待证实。对于这种神秘资源的学说，其实都是目前的科研人员在已有的科学理论下进行的假说，并没有足够的证据证实这种资源是切实存在的。美国普朗克科研所的多位科学家在许多科研杂志上发表声明，认为现在对于金属氢的探索是“无稽之谈”。但是近期哈佛大学又在进行金属氢的相关实验，据说已经得到了“鼓舞人心”的结果，我们可以拭目以待。

综上所述，所谓的“金属氢”就是人类梦寐以求的终极燃料。

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