Занимательная физика в вопросах и ответах. 
Сайт Елькина Виктора.
(Заслуженный учитель РФ. Учитель-методист.)       
    Занимательная физика   Биофизика     А знаете ли Вы?   Астрономия    Физика в походе   Биографии
  Физика и медицина     Физика  и  поэзия    Народная  мудрость   Физика и техника 
Радиотехника для всех      Занимательные опыты    Форум    Оптика     Старинные  задачи
Шаровая  молния  Ссылки  Сообразилки

Расскажите о... проблеме создания металлического водорода.

   На Земле существует в природных условиях или получено искусственно огромное количество различных веществ (химических соединений, сплавов, растворов, полимеров и т. д.). Создание новых веществ, вообще говоря, относится к области химии или технологии, но не составляет физической проблемы. Положение меняется, когда речь заходит о совсем необычных (если угодно, экзотических) веществах. Сюда можно отнести уже  высокотемпературные сверхпроводники, а также, например, гипотетические кристаллы с плотно-упакованными структурами, которые обладали бы (если бы их удалось создать!) исключительно высокими механическими и термическими свойствами. Так, плотноупакованный углерод («сверхалмаз») обладал бы твердостью (модулем упругости), на порядок превосходящей твердость алмаза. К сожалению, автор не знает современного состояния этой проблемы и, собственно, в какой мере она вообще реальна (т. е. может считаться физической проблемой).

    Но заведомо имеется одно «новое вещество», создание и изучение которого составляет важную и интересную проблему; кстати, она привлекает к себе в последнее время большое внимание. Речь идет о металлическом водороде.

  Как известно, в обычных условиях (скажем, при атмосферном давлении) водород состоит из молекул, кипит при Tь  =20,3 К и затвердевает при Тт =14 K. Плотность твердого водорода р=0,076 г/см 3   и он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии, когда внешние атомные оболочки оказываются раздавленными, все вещества должны переходить в металлическое состояние. Грубую оценку плотности металлического водорода можно получить, если считать, что расстояние между протонами порядка боровского радиуса.

    Количественные, хотя и ненадежные расчеты приводят к меньшей плотности: например, согласно, молекулярный водород находится в термодинамическом равновесии с металлическим водородом при давлении р=2,60 Мбар, когда плотность металлического водорода р = 1,15 г/см3 (плотность молекулярного водорода при этом р=0,76 г/см3). Согласно [161, в равновесии р=1—2,5 Мбар, причем неопределенность связана с отсутствием достаточно надежных данных об уравнении состояния молекулярной фазы. Возможно, металлический водород является сверхпроводящим, причем с высоким значением Тс, достигающим 100—300 К (для металлического водорода дебаевская температура примерно 3000 К.

   Получение такого простейшего в некотором отношении металла, как металлический водород, и определение для него критической температуры Тс  представляют не только очевидный физический интерес, но может иметь актуальное астрофизическое значение (достаточно сказать, что большие планеты, такие, как Юпитер и Сатурн, в значительной своей части должны содержать металлический водород; см. [171). Но еще несравненно важнее, что металлический водород может оказаться устойчивым (хотя, конечно, и метастабильным) даже в отсутствие давления. Существование подобных, вполне устойчивых метастабильных модификаций общеизвестно (примером может служить алмаз, который при низких температуре и давлении обладает более высокой свободной энергией, чем графит). В отношении металлического водорода вопрос о его устойчивости в отсутствие давления, как свидетельствуют некоторые расчеты (16, 18а), также решается положительно, но остается неясным, будет ли это состояние жить достаточно долго. Независимо от вопроса об устойчивости и длительности существования метастабильного состояния, теоретическое исследование (I6) возможной структуры металлического водорода привело к интересным и неожиданным результатам: при нулевом давлении металлический водород должен иметь нитевидную структуру без упорядочения вдоль нитей, т. е. должен обладать только двумерной периодичностью (нити образуют треугольную решетку в перпендикулярной к ним плоскости). Под давлением металлический водород может перейти в жидкое  состояние еще до достижения равновесного давления (давления, при котором сосуществуют металлический и молекулярный водород); в этом случае, очевидно, твердый молекулярный водород будет под давлением переходить в жидкий металлический водород.     

   Возможно, однако, что жидкому состоянию отвечают давления, большие равновесного. В других работах получены, правда, иные выводы [1861, и в целом вопрос о структуре металлического водорода остается открытым.

   Дальнейшее продвижение в области изучения металлического водорода вряд ли возможно без эксперимента — без попыток его создать (впрочем, необходимо также определить параметры молекулярного водорода при высоком давлении, что еще не сделано). Может оказаться интересным и исследование различных сплавов металлического водорода с более тяжелыми элементами. Так или иначе, проблема металлического водорода (как легкого, так и тяжелого, т. е. дейтерия) принадлежит сейчас к числу особенно актуальных. В случае же «удачи», если металлический водород окажется достаточно устойчивым (долгоживущим) при малом давлении, да к тому же еще и сверхпроводящим, получение и исследование металлического водорода станет одной из основных задач в области макроскопической физики.

   К сожалению, попытки получить металлический водород в квазиравновесных условиях связаны с необходимостью создать в некотором объеме давления, превосходящие 1—2 Мбар. Известные же материалы, включая алмаз, не выдерживают, вообще говоря, таких нагрузок, и поэтому очень трудно сделать камеру, в которой водород сжимался бы до нужного давления. Один из интересных путей преодоления этой трудности связан с получением сверхвысоких давлений в области небольшого контакта между заостренной (конусообразной) и плоской «наковальнями», сделанными из алмаза или на основе алмаза. Таким способом были получены указания [19а] на появление металлическою водорода. Применялись и применяются и другие методы (см. (196), однако в целом задача ни в коей мере не решена, и, когда будет получен «кусок» металлического водорода, сказать трудно.

  Создание или использование веществ с невиданными свойствами — одна из излюбленных тем для авторов фантастических романов. В этом случае, видимо, все позволено. Но неподтвердившиеся в дальнейшем сообщения об открытии совсем необычных веществ появлялись и на страницах вполне серьезных научных журналов (примером может служить утверждение о существовании полимерной, или сверхплотной, воды). Здесь дело, с одной стороны, в том, что во многих случаях очень трудно выяснить состав и свойства вещества, получаемого в крайне малых количествах, на очень короткое время (например, при взрыре) или, скажем, под очень высоким давлением. С другой стороны, сказывается, конечно, стремление авторов «не упустить» великое открытие. Соответствующие примеры поучительны, в частности, как напоминание о необходимости любое открытие считать окончательно установленным лишь после многократной и всесторонней проверки.

Источник. О физике и астрофизике. Гинсбург В.Л. - М.: Наука, 1980. с. 29.

Назад

  Занимательная физика   Биофизика     А знаете ли Вы?   Астрономия    Физика в походе   Биографии
  Физика и медицина     Физика  и  поэзия    Народная  мудрость   Физика и техника 
Радиотехника для всех      Занимательные опыты    Форум    Оптика     Старинные  задачи  Шаровая молния  Ссылки


Rambler's Top100

Подробная информация пластиковые окна здесь.
Hosted by uCoz