Metalik hidrojen, hidrojenin iletken gibi davrandığı bir fazdır. Bu faz 1935 yılında Eugene Wigner ve Hillard Bell Huntington tarafından teorik olarak öngörülmüştür.

Yüksek basınç ve sıcaklıklarda metalik hidrojen katıdan ziyade kısmi sıvı olarak bulunabilir. Araştırmacılar Jüpiter ve Satürn'ün sıcak ve kütleçekimiyle sıkışmış iç kısımlarında ve bazı ötegezegenlerde yüksek miktarlarda bulunabileceğini düşünmektedir.

Teorik tahminler

Jüpiter'in der'in bir sıvı metalik hidrojen tabakası (eflatun renkle gösterilmiştir) ve ağırlıklı olarak moleküler hidrojenden oluşan bir dış tabakayla kaplanmış kayaç çekirdeğe sahip iç modelini gösteren bir şema. Jüpiter'in gerçek iç bileşimi belirsizdir. Örneğin, sıcak sıvı metalik hidrojenin konveksiyon akımları erimiş çekirdekle karışıp çekirdeğin içeriğini gezegenin iç kısmındaki daha yüksek seviyelere taşıdıkça çekirdek büzülmüş olabilir. Ayrıca, hidrojen katmanları arasında net bir fiziksel sınır yoktur; derinlik arttıkça gaz, sıcaklık ve yoğunluk bakımından düzenli bir şekilde artar ve nihayetinde sıvı hâle dönüşür. Auroralar ve Galilei uydularının yörüngeleri dışındaki özellikler ölçekli olarak gösterilmiştir.

Basınç altındaki hidrojen

Hidrojen genellikle periyodik tablodaki alkali metal sütununun en üstüne yerleştirilmesine rağmen, normal şartlar altında bir alkali metalin özelliklerini sergilemez. Bunun yerine, halojenler ve periyodik tablonun ikinci periyodundaki azot ve oksijen gibi bazı ametallere benzer şekilde iki atomlu H
2 molekülleri oluşturur. İki atomlu hidrojen, atmosfer basıncında yalnızca çok düşük sıcaklıklarda (sırasıyla 20 K ve 14 K) sıvılaşan ve katılaşan bir gazdır.

1935'te fizikçiler Eugene Wigner ve Hillard Bell Huntington, yaklaşık 25 GPa (250.000 atm; 3.600.000 psi) gibi aşırı yüksek bir basınç altında hidrojenin metalik özellikler göstereceğini öngördüler: ayrık H2 molekülleri (iki proton arasına bağlanmış iki elektrondan oluşur) yerine, protonlardan oluşan katı bir kafes ve baştan sona delokalize olmuş elektronlarla bir yığın faz oluşacaktı. O zamandan beri, laboratuvarda metalik hidrojen üretmek “yüksek basınç fiziğinin kutsal kasesi” olarak tanımlanmaktadır.

Gerekli basınç miktarı hakkındaki ilk tahminin çok düşük olduğu sonunda ortaya çıkmıştır. Wigner ve Huntington'ın ilk çalışmalarından bu yana daha modern teorik hesaplamalar, yaklaşık 400 GPa (3.900.000 atm; 58.000.000 psi) gibi daha yüksek, fakat potansiyel olarak ulaşılabilir metalizasyon basınçlarına işaret etmektedir.

Sıvı metalik hidrojen

Helyum-4, yüksek sıfır noktası enerjisinin (ZPE) bir sonucu olarak mutlak sıfıra yakın normal basınçta sıvı hâldedir. Yoğun hâldeki protonların sıfır noktası enerjisi de yüksektir ve yüksek basınçlarda sıralama enerjisinde (sıfır noktası enerjisine göre) bir düşüş beklenir. Neil Ashcroft ve diğerleri tarafından sıkıştırılmış hidrojende bir maksimum erime noktası olduğu ancak aynı zamanda 400 GPa civarındaki basınçlarda hidrojenin düşük sıcaklıklarda bile sıvı metal olabileceği bir dizi yoğunluk olabileceği yönünde argümanlar ileri sürülmüştür.

Roket itici yakıtı olarak

Yarı kararlı metalik hidrojenin son derece verimli bir roket itici yakıtı olabileceği düşünülmektedir. Metal formunda saklanıp bir lüle aracılığıyla serbest bırakılarak iki atomlu gaz (H2) haline dönüştürülürken oluşan enerjinin itme kuvvetine dönüştürüdlüğü potansiyel kullanımda teorik özgül itki değeri 1700 saniyeye kadar çıkabilmektedir (günümüzde kullanılan en verimli kimyasal roket iticilerinin özgül itki değeri 500 saniyenin altında kalmaktadır), ancak kitlesel üretim ve depolamaya elverişli yarı kararlı bir formun var olup olamayacağı belirsizliğini korumaktadır. Bir diğer önemli sorun ise tepkime sıcaklığıdır: 6000 K'i aşan bu değer, bilinen motor malzemelerinin dayanamayacağı bir eşiğe karşılık gelmektedir.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ a b Wigner, E.; Huntington, H. B. (1935). "On the possibility of a metallic modification of hydrogen". Journal of Chemical Physics. 3 (12): 764. doi:10.1063/1.1749590. 
  2. ^ Guillot, T.; Stevenson, D. J.; Hubbard, W. B.; Saumon, D. (2004). "Chapter 3: The Interior of Jupiter". Bagenal, Fran; Dowling, Timothy E.; McKinnon, William B. (Ed.). Jupiter: The Planet, Satellites and Magnetosphere. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-81808-7. 
  3. ^ "High-pressure scientists 'journey' to the center of the Earth, but can't find elusive metallic hydrogen" (Basın açıklaması). ScienceDaily. 6 Mayıs 1998. 2 Şubat 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 28 Ocak 2017. 
  4. ^ Loubeyre, P.; ve diğerleri. (1996). "X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures". Nature. 383 (6602). ss. 702-704. Bibcode:1996Natur.383..702L. doi:10.1038/383702a0. 
  5. ^ Azadi, S.; Monserrat, B.; Foulkes, W.M.C.; Needs, R.J. (2014). "Dissociation of High-Pressure Solid Molecular Hydrogen: A Quantum Monte Carlo and Anharmonic Vibrational Study". Physical Review Letters. 112 (16). s. 165501. arXiv:1403.3681 Özgürce erişilebilir. Bibcode:2014PhRvL.112p5501A. doi:10.1103/PhysRevLett.112.165501. PMID 24815656. 
  6. ^ McMinis, J.; Clay, R.C.; Lee, D.; Morales, M.A. (2015). "Molecular to Atomic Phase Transition in Hydrogen under High Pressure". Physical Review Letters. 114 (10). s. 105305. Bibcode:2015PhRvL.114j5305M. doi:10.1103/PhysRevLett.114.105305 Özgürce erişilebilir. PMID 25815944. 
  7. ^ Geng, Hua Y. (17 Kasım 2022). "Full Temperature-Dependent Potential and Anharmonicity in Metallic Hydrogen: Colossal NQE and the Consequences". The Journal of Physical Chemistry C (İngilizce). 126 (45): 19355-19366. arXiv:2211.14474 Özgürce erişilebilir. doi:10.1021/acs.jpcc.2c05027. ISSN 1932-7447. 19 Mayıs 2024 tarihinde kaynağından arşivlendi2 Eylül 2024. 
  8. ^ Ashcroft, N. W. (2000). "The hydrogen liquids". Journal of Physics: Condensed Matter. 12 (8A): A129-A137. doi:10.1088/0953-8984/12/8A/314. 
  9. ^ Bonev, S. A.; ve diğerleri. (2004). "A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations". Nature. 431 (7009): 669-672. arXiv:cond-mat/0410425 Özgürce erişilebilir. doi:10.1038/nature02968. PMID 15470423. 
  10. ^ Silvera, Isaac F.; Cole, John W. (2010). "Metallic Hydrogen: The Most Powerful Rocket Fuel Yet To Exist". Journal of Physics: Conference Series. 215 (1): 012194. doi:10.1088/1742-6596/215/1/012194. ISSN 1742-6596. 
  11. ^ Burmistrov, S.N.; Dubovskii, L.B. (29 Aralık 2017). "On the lifetime of metastable metallic hydrogen". Low Temperature Physics. 43 (10): 1152-1162. arXiv:1611.02593 Özgürce erişilebilir. doi:10.1063/1.5008406.