Jak Zmetalizować Wodór.pdf

Jak ZMETALIZOWA

Odtwarzajc ekstremalne warunki, podobne do panujcych w jdrze

Jowisza, fizycy zdo¸ali wreszcie przekszta¸ci wodr w metal

William J. Nellis

more National Laboratory ma d¸ugoæ niemal

dwch miejskich autobusw stojcych jeden za

drugim i mieæci w sobie tyle wodoru, ýe mg¸by

on eksplodowa z si¸ 10 lasek dynamitu. Dzia¸o to miota po-

ciski z pr«dkoæci 7 km/s, a wi«c ponad 20 razy wi«ksz niý

pr«dkoæ rozchodzenia si« dwi«ku i oko¸o 15 razy wi«ksz

od pr«dkoæci wystrzelonej kuli rewolwerowej. Urzdzenie

nie jest jednak nowym rodzajem broni, lecz pot«ýn apara-

tur badawcz, a tarcz«, do ktrej wystrzeliwuje si« pociski,

stanowi zaledwie kilka kropli cieczy.

Oczywiæcie, nie chodzi o jakæ zwyk¸ ciecz, cho tworzcy

j pierwiastek jest najpowszechniej spotykanym we Wszech-

æwiecie. Pomimo prostej budowy (sk¸ada si« tylko z jednego

protonu i jednego elektronu) wodr okaza¸ si« znacznie bardziej

skomplikowany, aniýeli wyobraýali to sobie naukowcy. W nor-

malnych warunkach gaz z¸oýony z dwuatomowych czsteczek

daje si« skropli poniýej 20 K (czyli w temperaturze Ð253¡C),

a zestali poniýej 14 K. We wszystkich tych stanach skupienia

pod wzgl«dem elektrycznym jest izolatorem, ale juý w latach

trzydziestych fizycy przewidzieli, ýe poddanie wodoru ekstre-

malnie wysokim ciænieniom moýe spowodowa rozpad jego

czsteczek na atomy, w rezultacie czego stanie si« on metalem i

zacznie przewodzi prd. Co wi«cej, w latach szeædziesitych

Neil W. Ashcroft z Cornell University doszed¸ do wniosku, ýe ze-

stalony metaliczny wodr b«dzie przewodzi¸ prd elektryczny

bez oporu. Gdyby w tej postaci wodr mg¸ zachowa stabil-

noæ w normalnych warunkach, to da¸oby si« go uýywa jako

nadprzewodnika pracujcego w temperaturze pokojowej. Ta-

kiego materia¸u fizycy poszukuj juý od kilkudziesi«ciu lat.

Mg¸by on by takýe wykorzystywany jako bardzo skondenso-

wane rd¸o energii oraz lekki materia¸ konstrukcyjny.

Wsplnie z kolegami zrobiliæmy w¸aænie kolejny krok ku re-

alizacji tych moýliwoæci. Za pomoc dzia¸a gazowego znaj-

dujcego si« w Livermore Laboratory zdo¸aliæmy podda cie-

k¸y wodr takiej kompresji, ýe przekszta¸ci¸ si« w ciek¸y metal.

Wprawdzie pozostawa¸ w tym stanie krcej niý jedn milio-

now sekundy, ale to wystarczy¸o, by zmierzy jego prze-

wodnoæ elektryczn. Tak wi«c cho celu, jakim by¸o wytwo-

rzenie zestalonego metalicznego wodoru, nie uda¸o si« jeszcze

nam osign, uzyskaliæmy wyniki pozwalajce okreæli za-

chowanie si« wodoru w rozmaitych warunkach ultrawyso-

kich ciænieÄ i temperatur. Zdobyta w ten sposb wiedza za-

pewne przyda si« w projektowaniu lepszych urzdzeÄ

inicjujcych reakcj« fuzji, ktra ma by rd¸em energii. Do-

pomoýe takýe w zrozumieniu struktury wn«trza Jowisza Ð

naukowcy sdz, ýe ciek¸y wodr, stanowicy znaczn cz«æ

jdra tej wielkiej planety, jest tam æciæni«ty do tego stopnia, ýe

moýe przejæ w posta metaliczn.

Juý pod koniec XIX stulecia wielu badaczy przewidywa¸o

moýliwoæ metalizacji skondensowanego wodoru. Bd co

bd pierwiastek ten znajduje si« w pierwszej kolum-

nie uk¸adu okresowego pierwiastkw razem z grup

metali alkalicznych. W roku 1898 szkocki fizyk James

Dewar zdo¸a¸ skropli wodr, a rok pniej uda¸o mu

si« go zestali. Ku zaskoczeniu wielu badaczy obydwie fa-

zy skondensowane okaza¸y si« izolatorami: atomy wodo-

ru pozostawa¸y zwizane w postaci dwuatomowych cz-

steczek i zachowywa¸y si« raczej jak chlorowce po¸oýone

w sidmej kolumnie uk¸adu okresowego (np. chlor i fluor).

Tymczasem w miar« rozwoju mechaniki kwantowej Ð

wyjaæniajcej zjawiska fizyczne zachodzce w skali atomu Ð

pojawi¸y si« nowe prby opisu zachowania si« wodoru. W ro-

ku 1935 Eugene P. Wigner z Princeton University wysun¸

hipotez«, ýe pod dostatecznie wysokim ciænieniem nieprzewo-

dzcy zestalony wodr, utworzony przez dwuatomowe cz-

steczki, ulegnie przemianie w posta metaliczn, ktrej jed-

nostk strukturaln b«d pojedyncze atomy. Z biegiem lat

teoretyczne oszacowania ciænienia, pod ktrym taka prze-

miana mog¸aby nastpi, wskazywa¸y na co raz to wyýsz

wartoæ: wzrasta¸a ona od 25 aý do 2000 GPa. Odpowiada to

ciænieniu 250 tys. do 20 mln razy wi«kszemu niý ciænienie at-

mosferyczne na poziomie morza. Wed¸ug najnowszych wy-

liczeÄ zestalony wodr czsteczkowy moýe sta si« metalem

juý pod ciænieniem nieco powyýej 400 GPa, czyli oko¸o 4 mln

atm. Ostatnie pomiary przeprowadzone technik rentgenow-

sk wskazuj jednak na wymagane ciænienie rz«du 620 GPa.

Jednym ze sposobw uzyskania tak wysokiego ciænienia,

bliskiego panujcego we wn«trzu Ziemi, jest æciæni«cie bada-

nej prbki pomi«dzy dwiema supertwardymi powierzchnia-

mi. Stosuje si« w tym celu technik« kowade¸ek diamentowych

[patrz: A. Jayaraman, ãThe Diamond-Anvil High-Pressure

CellÓ; Scientific American , kwiecieÄ 1984]. Dzi«ki niej wytwo-

rzono juý ciænienia si«gajce 500 GPa.

Za pomoc tego urzdzenia Russell J. Hemley i Ho-kwang

Mao z Carnegie Institution w Waszyngtonie oraz Isaac F. Si-

lvera z Harvard University i Arthur L. Ruoff z Cornell Univer-

sity prbowali otrzyma metaliczny wodr, æciskajc ten pier-

wiastek pod ciænieniem rz«du 340 GPa. Wprawdzie wodr

ulega¸ zestaleniu i stosujc dyfrakcj« rentgenowsk oraz me-

tody spektroskopowe moýna by¸o bada jego zachowanie,

NAGüE UDERZENIE wytwarza ciænienie dynamiczne potrzebne do

przeprowadzenia prbki ciek¸ego wodoru w stan metaliczny. Dzia-

¸o gazowe ( u gry ) przyspiesza pocisk (krýek metalowy wielkoæci

wierdolarwki, os¸oni«ty cylindrem z tworzywa sztucznego) do

pr«dkoæci 7 km/s. Kiedy pocisk uderza w pojemnik z prbk ( ukaza-

ny w przekroju ), wytwarza fal« uderzeniow w cienkiej warstwie cie-

k¸ego wodoru ( ý¸ty ). Fala ulega odbiciu pomi«dzy dwiema twardy-

mi p¸ytkami z szafiru ( niebieski ). W rezultacie na wodr dzia¸a

ciænienie rz«du 180 GPa. Czujniki w¸czajce ( czerwony ) uruchamia-

j urzdzenie rejestrujce i elektrody ( pomaraÄczowy ) mierz prze-

wodnictwo wodoru w celu uchwycenia momentu jego metalizacji.

24 å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000

D wustopniowe dzia¸o gazowe w Lawrence Liver-

WODîR

DWUSTOPNIOWE DZIAüO GAZOWE

sk¸ada si« z zamka, rury spr«ýania i w«ý-

szej od niej lufy. Przed odpaleniem

w zamku znajduje si« 3.3 kg prochu

strzelniczego; cz«æ Ð w wydrýonej kap-

sule ýarowej, a reszta Ð w pojemniku

otaczajcym ( na grze ). Gdy zapala si«

proch strzelniczy, gorce gazy powsta-

¸e w wyniku wybuchu popychaj t¸ok

wzd¸uý rury ( na dole ). T¸ok spr«ýa znaj-

dujcy si« przed nim gazowy wodr, ten

przerywa diafragm« i przechodzi do lu-

fy, powodujc wystrzelenie pocisku

w kierunku komory stanowicej cel. Po-

cisk to metalowa udarowa tarcza osa-

dzona w plastikowym cylindrze. Uderza

on w aluminiowy pojemnik z prbk,

ktr stanowi ciek¸y wodr majcy zo-

sta zmetalizowany.

ZAMEK

POJEMNIK Z PROCHEM STRZELNICZYM

RURA SPR¢ûANIA

DIAFRAGMA POMI¢DZY

RUR SPR¢ûANIA I LUF

TüOK

GAZOWY WODîR

KAPSUüA ûAROWA

POCISK

GORCE GAZY ZE SPALONEGO PROCHU STRZELNICZEGO

TüOK

OTWARTY ZAWîR BEZPIECZEÁSTWA

ale badacze nie byli w stanie bezpoæred-

nio zmierzy przewodnoæci materia-

¸u, poniewaý przewody elektryczne

umieszczone pomi«dzy kowade¸kami

diamentowymi przerywa¸y si« pod

wp¸ywem wysokiego ciænienia. Nie-

moýliwe teý okaza¸o si« zmetalizowa-

nie ciek¸ego wodoru w tym urzdzeniu,

gdyý ciecz szybko wydostawa¸a si« po-

za æcianki urzdzenia.

tur przejæcia charakterystycznych dla

konwencjonalnych nadprzewodnikw

(rz«du 20 K). We wczesnych latach dzie-

wi«dziesitych podj¸em badania tych

materia¸w za pomoc dzia¸a gazowe-

go. Konstrukcja samego dzia¸a zosta¸a

opracowana w latach szeædziesitych

przez firm« General Motors w ramach

prac nad pociskiem balistycznym. Wi«k-

szej wersji dzia¸a uýywano do przyæpie-

szania modeli pociskw, aby uzyska

symulacj« efektw towarzyszcych wej-

æciu rozp«dzonej rakiety w atmosfer«

ziemsk. W koÄcu Livermore Labora-

tory zosta¸o w¸aæcicielem mniejszego

dzia¸a, ktre przydaje si« w badaniach

zwizanych z technik obronn, ponie-

waý pozwala poddawa materia¸y dzia-

¸aniom warunkw ekstremalnych.

Znajc zakres ciænieÄ, jakie moýna

osiga za pomoc tego urzdzenia,

przypuszcza¸em, ýe nada si« ono do ba-

daÄ nad przewodnictwem ciek¸ego wo-

doru. Kiedy wodr poddawany jest

dzia¸aniu wysokich ciænieÄ, wwczas

jego temperatura topnienia wzrasta.

Przy 100 GPa si«ga ona 1500 K (ponad

1200¡C). Z tego powodu ciecz naleýy

ogrzewa, aby powstrzyma j przed

zestaleniem. Technika fal uderzenio-

wych jest idealnym sposobem do rw-

noczesnego æciskania i ogrzewania wo-

doru. Fala uderzeniowa, znana po-

wszechnie jako huk wytwarzany przez

samolot przekraczajcy barier« dwi«-

ku, to po prostu nag¸a zmiana ciænienia

powodujca gwa¸towne wzajemne zbli-

ýenie si« czsteczek, a przez to wzrost

ich temperatury. W roku 1991 wsplnie

z Samuelem T. Weirem i Arthurem C.

Mitchellem rozpocz«liæmy prace nad za-

stosowaniem dzia¸a gazowego do wy-

tworzenia odbitej fali uderzeniowej

w skroplonym wodorze.

Pierwszy stopieÄ dzia¸a sk¸ada si«

z zamka zawierajcego oko¸o 3.3 kg pro-

chu strzelniczego, ktrego odpalenie po-

woduje ruch ci«ýkiego t¸oka we wn«-

trzu rury spr«ýania d¸ugoæci 10 m i

ærednicy 90 mm [ ilustracja powyýej ].

Rur« wype¸nia 60 g gazowego wodoru

(nie myli z wodorem poddawanym

metalizacji). T¸ok o wadze 6.8 kg spr«ýa

znajdujcy si« przed nim wodr. Gdy

ciænienie gazu osiga 0.1 GPa, nast«pu-

je przerwanie diafragmy zamykajcej

rur« spr«ýania i uruchomienie drugie-

go stopnia, sk¸adajcego si« z dziewi«-

ciometrowej lufy o kalibrze 28 mm. To

zw«ýenie jest bardzo istotne, poniewaý

Wodorowa proca

Pierwsze prby wykorzystania dzia-

¸a gazowego podj«to mniej wi«cej 10 lat

temu, zaraz po odkryciu nadprzewod-

nikw wysokotemperaturowych. Te ce-

ramiczne materia¸y przewodz bez opo-

ru prd elektryczny w temperaturach

zbliýonych do temperatury wrzenia azo-

tu (oko¸o 77 K, czyli oko¸o Ð196¡C),

a wi«c znacznie wyýszych od tempera-

BADACZE zajmujcy si« wysokimi ciænie-

niami pozuj obok dzia¸a gazowego uýywa-

nego do metalizacji ciek¸ego wodoru w Law-

rence Livermore National Laboratory. Od

lewej: Arthur C. Mitchell, Samuel T. Weir

i autor artyku¸u Ð William J. Nellis.

26 å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000

LUFA

KOMORA

STANOWICA

CEL

POJEMNIK

Z PRîBK

METALOWA

TARCZA UDAROWA

PüYTKI

Z SZAFIRU

CIEKüY

WODîR

ELEKTRODY

GAZOWY WODîR

CZUJNIKI

WüCZAJCE

POCISK

PLASTIKOWA OSüONA

zmniejszenie obj«toæci powoduje zwi«k-

szenie szybkoæci gazu.

Kiedy gaz przejdzie przez diafragm«,

uruchamia pocisk, czyli p¸ytk« metalo-

w wielkoæci wierdolarwki. (Wodr

jest najlepszym medium przyæpieszaj-

cym, poniewaý ma najniýszy wærd

wszystkich gazw ci«ýar czsteczkowy

i najwi«ksz pr«dkoæ rozchodzcego

si« w nim dwi«ku.) Dwudziestogra-

mowy pocisk rozwija w lufie pr«dkoæ

rz«du 7 km/s, co odpowiada pr«dkoæci

25 200 km/h. Na koÄcu lufy pocisk ude-

rza w aluminiowy pojemnik z prbk,

ktr stanowi ciek¸y wodr tworzcy

warstw« gruboæci 0.5 mm, zamkni«t

pomi«dzy dwiema twardymi p¸ytkami

z szafiru. Ciecz jest sch¸odzona do tem-

peratury 20 K w celu uzyskania odpo-

wiedniej g«stoæci wyjæciowej.

Uderzenie pocisku powoduje powsta-

nie silnej fali uderzeniowej, ktra prze-

chodzi przez pojemnik aluminiowy i

zawarty w nim ciek¸y wodr. P¸ytki sza-

firowe wi«cej niý dziesi« razy odbijaj

od siebie fal« uderzeniow. W wyniku

tego procesu wytwarza si« ciænienie dy-

namiczne rz«du 180 GPa, powodujce

spr«ýenie prbki wodoru do jednej dzie-

sitej jej obj«toæci wyjæciowej. Rwnocze-

ænie temperatura wzrasta do 3000 K. Wa-

runkiem powodzenia eksperymentu jest

odbicie oraz akumulacja fali uderzeniowej

i ciænienia dynamicznego; poddanie wo-

doru dzia¸aniu tylko pojedynczej fali ude-

rzeniowej o tym samym ciænieniu spo-

wodowa¸oby znacznie wi«kszy wzrost

temperatury.

Czujnik w¸czajcy w pojemniku

z prbk uruchamia urzdzenie rejestru-

jce w momencie, gdy pierwsza fala ude-

rzeniowa wchodzi w wodr. Chociaý

czas obciýenia prbki maksymalnym ci-

ænieniem wynosi zaledwie 100 ns (jedn

dziesit jednej milionowej sekundy), jest

to okres wystarczajco d¸ugi, by uzyska

rwnowag« termiczn i przeprowadzi

pomiar. Na szcz«æcie eksperyment trwa

rwnieý tak krtko, ýe wodr nie zdýy

wydosta si« na zewntrz pojemnika ani

wejæ w reakcj« chemiczn z materia¸em,

z ktrego zosta¸ on wykonany.

Nasz eksperyment nie by¸ pozbawio-

ny ryzyka. Naleýa¸o przedsi«wzi ærod-

ki ostroýnoæci, by nie dopuæci do po-

wstania mieszaniny wodoru z tlenem

zawartym w komorze stanowicej cel.

Gdyby ca¸y wodr znajdujcy si« we wn«-

trzu dzia¸a wszed¸ w reakcj« z tlenem, wy-

zwoli¸aby si« energia odpowiadajca eks-

plozji 2 kg TNT. Dlatego musieliæmy by

pewni, ýe komora jest wystarczajco moc-

na, aby wytrzyma torpedowanie od¸am-

kami powstajcymi w momencie uderze-

nia pocisku. Perforacja æcianki komory

mog¸aby bowiem spowodowa przenik-

ni«cie powietrza (a wi«c i tlenu) do ko-

mory. Eksperyment zosta¸ tak zaplano-

wany, aby w przypadku przecieku po-

wietrza do wn«trza aparatury nie by¸o

moýliwe jej odpalenie. Wszystkie napi«cia

elektryczne uýywane w aparaturze kon-

trolnej, stosowanej w komorze, automa-

tycznie wy¸cza¸y si« w momencie odpa-

lenia dzia¸a. Dzi«ki temu nie mog¸a

powsta iskra groýca zap¸onem wodo-

ru. Ponadto natychmiast po odpaleniu

uruchamia¸o si« szybkie pompowanie

azotu do wn«trza komory, aby w ten spo-

sb zosta¸a ograniczona aktywnoæ wo-

doru. Wreszcie, w momentach odpalania

dzia¸a, nikt nie mg¸ przebywa w po-

mieszczeniu, gdzie si« ono znajdowa¸o.

Wykrycie metalizacji wodoru mile

nas zaskoczy¸o, poniewaý spodziewa-

liæmy si«, ýe wodr b«dzie zbliýa¸ si« do

stanu metalicznego, ale go nie osignie.

Aby zmierzy przewodnoæ ciek¸ego

wodoru, dostarczyliæmy niewielki prd

do elektrod umieszczonych w pojemni-

ku z prbk. Dzi«ki temu mogliæmy

zmierzy opornoæ elektryczn wo-

doru. (Opr, ktry przewd stawia pr-

dowi elektrycznemu, jest rwny jego

opornoæci pomnoýonej przez jego d¸u-

goæ i podzielonej przez powierzchni«

jego przekroju poprzecznego.) Stwier-

dziliæmy, ýe pod ciænieniem 93 GPa

opornoæ ciek¸ego wodoru wynosi¸a

oko¸o 1

cm. Wartoæci te odpowiadaj

stanowi p¸przewodzcemu; opornoæ

jest niýsza od opornoæci typowych izo-

latorw, ale teý wyýsza od opornoæci

przewodnikw metalicznych.

REZULTATY uzyskane w eksperymentach

z dzia¸em gazowym pokazuj, jak spada

opornoæ ciek¸ego wodoru Ð a tym samym

roænie jego przewodnoæ elektryczna Ð gdy

zwi«ksza si« ciænienie wywierane na prb-

k«. W zakresie ciænieÄ od 93 do 120 GPa cie-

k¸y wodr jest p¸przewodnikiem, ale pod

ciænieniem 140 GPa jego opornoæ spada do

oko¸o 0.0005

WODîR

DEUTER

10 Ð1

10 Ð2

10 Ð3

10 Ð4

100

150

200

Ciænienie (GPa)

å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000 27

cm, a zwi«kszenie ciænienia do

120 GPa zmniejsza¸o t« wartoæ do oko-

¸o 0.005

cm i pierwiastek przechodzi

w stan metaliczny. Rezultaty dla deuteru,

izotopu wodoru, s zbliýone.

ZWYKüY CIEKüY WODîR

METALICZNY CIEKüY WODîR

CZSTECZKI

WODORU

CZSTECZKI

WODORU

ATOM

WODORU

CHMURA

ELEKTRONOWA

PARY

PROTONîW

CZSTECZKI w zwyczajnym ciek¸ym wo-

dorze ( z lewej ) s od siebie oddalone i elek-

trony Ð ukazane jako chmury ¸adunkw

ujemnych Ð znajduj si« w bezpoæredniej

bliskoæci pary atomw tworzcych czstecz-

k«. Natomiast pod wysokim ciænieniem cz-

steczki zostaj tak bardzo do siebie zbliýo-

ne, ýe elektrony mog ¸atwo przemieszcza

si« z jednej czsteczki do drugiej i w ten

sposb stawa si« noænikami prdu w sytu-

acji, gdy do ciek¸ego wodoru zostanie przy-

¸oýone napi«cie elektryczne ( z prawej ). Wy-

sokie ciænienie sprawia rwnieý, ýe oko¸o

10% czsteczek dysocjuje i tworz si« poje-

dyncze atomy wodoru.

KIERUNEK PRZEPüYWU PRDU ELEKTRYCZNEGO

czonej chmur ¸adunku ujemnego. Po-

niewaý do usuni«cia elektronu z cz-

steczki wodoru potrzebna by¸aby sto-

sunkowo duýa energia (rz«du 15 eV),

ciecz z¸oýona z molekularnego wodoru

nie moýe przewodzi prdu elektrycz-

nego: jest zatem izolatorem.

Sytuacja ulega jednak zmianie, gdy

czsteczki s do siebie zbliýane i jedno-

czeænie ogrzewane, jak to dzieje si«

w warunkach odbitej fali uderzeniowej.

Przerwa energetyczna pomi«dzy pa-

smem wype¸nionym i pasmem prze-

wodnictwa (czyli energia potrzebna na

usuni«cie elektronu z czsteczki, tak by

mg¸ sta si« noænikiem prdu) zmniej-

sza si« wraz z malejc odleg¸oæci po-

mi«dzy czsteczkami. Co wi«cej, ener-

gi« potrzebn dla uwolnienia elektronw

dostarcza si« poprzez ogrzewanie prb-

ki podczas przejæcia fali uderzeniowej.

W tych warunkach ciek¸y wodr jest p¸-

przewodnikiem, a jego przewodnoæ

elektryczna stopniowo zwi«ksza si«

(opornoæ zaæ stopniowo maleje), w mia-

r« jak wzrasta g«stoæ i temperatura.

Gdy zwi«kszyliæmy ciænienie dyna-

miczne do 140 GPa, g«stoæ ciek¸ego wo-

doru wzros¸a do 0.32 mol/cm 3 , a tem-

peratura podnios¸a si« do 2600 K,

i przerwa energetyczna zmala¸a do

0.22 eV. Przy tej g«stoæci czsteczki wo-

doru znajduj si« tak blisko siebie, ýe

nast«puje cz«æciowe pokrywanie si« ota-

czajcych je chmur ¸adunku ujemnego

i elektrony swobodnie przeskakuj

z jednej czsteczki do drugiej. W tych

warunkach elektrony staj si« ruchliwe

i dalsze zwi«kszanie g«stoæci nie powo-

duje juý istotnego zwi«kszania ich mo-

bilnoæci. To t¸umaczy fakt, dlaczego dal-

sze zwi«kszanie ciænienia nie powoduje

juý obniýenia opornoæci.

Poza tym w tych warunkach oko¸o

10% czsteczek wodoru rozpada si« na

atomy. Ciek¸y wodr zmienia si« wi«c

w z¸oýon mieszanin« czsteczek, ato-

mw i prawdopodobnie klastrw wyý-

szego rz«du. Zderzenia zachodzce po-

mi«dzy czsteczkami powoduj ich

rozpad na atomy, ktre z kolei rekombi-

nuj, tworzc nowe moleku¸y. Z uwagi

na nieuporzdkowany charakter cieczy

elektrony przewodnictwa s rozprasza-

ne na poszczeglnych czsteczkach.

Stan taki odpowiada minimalnemu

przewodnictwu nieuporzdkowanego

metalu.

Ciænienie potrzebne do przeprowa-

dzenia w stan metaliczny zestalonego

wodoru jest wyýsze aniýeli w przypad-

ku stanu p¸ynnego. Jest to najprawdo-

podobniej spowodowane faktem, ýe

podczas krzepni«cia atomy wodoru blo-

kuj si« w w«z¸ach sieci krystalicznej,

co zwi«ksza luk« energetyczn i utrud-

nia proces przejæcia w stan metaliczny.

Gdy mamy do czynienia z ciecz nie

tworzy si« taka struktura.

Wyniki uzyskane w pomiarach prze-

wodnoæci elektrycznej i w badaniach nad

zachowaniem si« wodoru w zakresie ul-

cm. Oznacza¸o

to, ýe w tych warunkach wodr znajdo-

wa¸ si« w stanie typowym dla metalicz-

nego przewodnika. Opornoæ ta nie

zmienia¸a si« pod jeszcze wyýszymi ci-

ænieniami uzyskiwanymi w naszych

eksperymentach (aý do 180 GPa). Te re-

zultaty by¸y dla mnie tak zaskakujce, ýe

nie zdecydowa¸em si«, by je natychmiast

opublikowa. Sp«dzi¸em ponad rok na

dok¸adnym sprawdzaniu wynikw, by

zrozumie, dlaczego opornoæ powin-

na by sta¸a i nie zmienia si« pod wyý-

szymi ciænieniami.

Rozpatrujc rzecz w skali atomowej,

podczas metalizacji wodoru nast«puje

uwolnienie cz«æci elektronw naleý-

cych do czsteczek wodoru [ ilustracja

powyýej] . W niskich ciænieniach tenden-

cja do ¸czenia si« dwch atomw wo-

doru w czsteczk« jest tak silna, ýe cie-

k¸y wodr zawiera wy¸cznie czsteczki.

Kaýda sk¸ada si« z pary protonw oto-

28 å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000

Kiedy jednak zwi«kszyliæmy ciænie-

nie do 140 GPa, opornoæ ciek¸ego wo-

doru spad¸a do 0.0005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: