氣態?液態?金屬態氫可能存在嗎?

2020-11-25 天文在線

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金屬氫是可能實際存在的。事實上,木星和其它類似氣態巨行星固態內核被認為主要由它構成。

能否利用現有技術在地球上製造金屬氫是很難回答的問題,因為這取決於你對金屬氫的定義。氫在大氣中通常以雙原子分子的形式(即H2,也稱分子氫)存在。當氫分子被壓縮時,它會在保持雙原子結構的情況下變成固態,再到金屬態,即金屬氫分子。進一步加壓,氫分子將會分裂成為金屬氫原子(H而不是H2)。由於獲得H比H2需要更大的壓力,因此製造的可行性和成功性評估等問題一般是針對氫原子的。

圖解:哈伯太空望遠鏡的WFC3相機於2014年所拍攝到木星的真實色彩影像,可清楚看見木星南半球的大紅斑

在地球上,極端高壓可以通過兩種方式實現,一種是通過激波,即在實驗室用某物撞擊目標或者用強雷射擊中某物;一種是通過金剛石壓砧,即一種在兩個金剛石之間壓縮物質的裝置。這是其中一些結果:

在激波實驗中,氘分子(含額外中子的氫)中檢測出了金屬性。在2011年[1],金屬氫分子在以220GPa壓強(約為地心壓強的三分之二)運行的金剛石壓砧中被發現。2017年據稱發現金屬氫原子,這引起來很多的爭議[2]。據我所知,這一結果還沒有再次被生產出來(原始標本已經瓦解了),不過人們還在努力嘗試。

圖解:這幅模型剖面圖顯示木星內部的構造,液態金屬氫覆蓋著內部深處的巖石核心

我想說的最後一點是,我很想消除這樣一種觀點——由於一種物質狀態是在極端條件下實現的,因此從某種程度上來說,物質狀態「沒有那麼實用或者有效」。除去某些物理領域(粒子物理學、宇宙學等)只在極端條件下(實驗)運作這一事實,在固態物理中,高壓是我們擁有的「最乾淨」的調諧參數之一,它能夠以有意義的方式深刻地改變材料的性質。從高壓實驗中獲得的見解對於我們理解任何和所有的晶態固體都是非常寶貴的。

金屬氫是氫的一種狀態,在這種狀態下,它表現得像導電體。1935年,尤金·維格納和希拉德·貝爾·亨廷頓根據理論預測了這一狀態。

在高壓和高溫下,金屬氫可以以液體而不是固體的形式存在,研究人員認為,它可能大量存在於木星、土星和一些外行星的內部,在這裡需要經受高溫和重力的壓縮。

圖解:像木星、土星這一類的氣態巨行星,其內部可能含有大量的金屬氫(灰色部分)及金屬氦

木星的結構圖顯示了行星內部的模型,巖石核心被液態金屬氫的深層覆蓋(顯示為洋紅色),外層主要是分子氫,但木星真正的內部結構還不確定。例如,由於熱液態金屬氫與熔化的堆芯混合的對流,堆芯可能已經收縮,並將其內含物帶到行星內部更高的位置。此外,氫層之間沒有明確的物理邊界——隨著深度的增加,氣體的溫度和密度平穩增加,最終變成液體。除了極光和伽利略衛星的軌道外,其他特徵都是按比例顯示的。

相關知識

木星被認為有個由元素混合的緻密核心,被一層含有少量氦,主要是氫元素的液態金屬氫包覆著。除了這個基本的輪廓,不確定的成分還是相當多。核心經常被描述為巖石,但是其詳細的成分是未知的,而且在這種深度下的溫度、壓力、和材料的性質也都不清楚。在1997年,有人建議用重力法測量是否存在著核心,顯示核心大約有12至45地球質量,約佔木星總質量的4%至14%。 行星模型認為在行星形成的歷史上,木星至少有一段時間有個夠大的巖石或冰的核心,才可以從原始太陽星雲收集到足夠大量的氫和氦。假設它確實存在,它可能因為現存的熱液態金屬氫與地幔混合的對流而萎縮,並且熔融在行星內部的較上層。核心現在可能完全消失,但由於重力測量仍不夠精確,還不能完全排除這種可能性。

作者: quora

FY: 小步

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