[科普中國(guó)]-原子氫

簡(jiǎn)介

氫是最簡(jiǎn)單的化學(xué)元素，由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成。原子氫是宇宙空間中最多的元素，不過(guò)，那里漫無(wú)邊際，平均密度為1個(gè)原子/米。地球上的氫也很多，但是，只在諸如水或雙原子分子氫中以分子形式存在。普通教科書的觀點(diǎn)是：原子氫不能作為中等密度的相對(duì)穩(wěn)定(亞穩(wěn)態(tài))的氣體而存在。荷蘭研究人員采用放電方式讓氫分子分割開，并在磁場(chǎng)中使氫原子分離，因?yàn)榇艌?chǎng)迫使它們的軌道電子以相互平行的自旋排列。在這種條件下(在器壁夾層充以液氦的容器里,溫度為絕對(duì)零度以上0.5℃)，結(jié)果證明氫原子彼此完全排斥，永遠(yuǎn)分開。1

原子氫特點(diǎn)將氫分子加熱，特別是通過(guò)電弧或低壓放電，皆可得到原子氫。所得之原子氫僅能存在半秒鐘，隨后，便重新結(jié)合成，并放出大量熱。

放電獲得的原子氫是極不穩(wěn)定的，在百萬(wàn)分之一到千分之一秒的斷電瞬間從，又會(huì)復(fù)合成穩(wěn)定的分子態(tài)氫。如果原子氫氣體是穩(wěn)定的，將意味著什么？可先考察單原子的特性,再考察許多原子相互作用產(chǎn)生的共同效應(yīng)。1

原子氫氣體具有不少新的引人注目的特性。例如：一個(gè)氫原子有一個(gè)磁矩，很象一個(gè)條形磁體。低溫磁場(chǎng)中，磁力將使原子進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)。所有具有最低能級(jí)的原子亦應(yīng)在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)。玻色凝聚中，冷凝的原子都會(huì)以很明顯的變化和特征密度剖面進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)。因此,弱磁場(chǎng)區(qū)的氣體是正常的,而強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)的氣體將具有超流性。1

原子氫氣體還有可以獲得廣泛應(yīng)用的重要特性。室溫下，不穩(wěn)定的原子氫在很理想的微波頻率內(nèi)會(huì)發(fā)出電磁輻射，已用于微波量子放大器件。原子氫的另一可能的應(yīng)用是作為一種獨(dú)特的能源。兩個(gè)氫原子復(fù)合成為氫分子時(shí)，會(huì)放出4.5電子伏的能量，如果在1秒鐘內(nèi)燃燒10克氫，可以獲得1百多萬(wàn)瓦的能量。由于原子氫的質(zhì)量輕、比推力大，有可能成為一種火箭燃料。1

發(fā)展研究早在上個(gè)世紀(jì)就知道的獲得原子氫的一個(gè)方法是對(duì)氫氣通電。電流使分子分解成中性原子并產(chǎn)生紫紅色輝光放電。讓光按波長(zhǎng)而展開的分光光譜儀顯示它由許多被叫做譜線的離散的顏色組成。解釋單個(gè)氫原子光發(fā)射譜線遇到的困難曾導(dǎo)致1920年量子力學(xué)的發(fā)展,第二次世界大戰(zhàn)后形成了量子電動(dòng)力學(xué)，即電磁效應(yīng)的量子理論。量子力學(xué)屬于物理學(xué)的范疇，用以解釋微觀原子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和特性。例如,原子范圍內(nèi)，為原子核所束縛的電子只具有離散的(量子化)能量或角動(dòng)量。與遵循經(jīng)典力學(xué)的整個(gè)值域相矛盾。一般說(shuō)來(lái)，在日常生活中接觸到的大的宏觀系統(tǒng)或物體中無(wú)法觀測(cè)到量子力學(xué)效應(yīng)。1

1959年原子氫貯存密度達(dá)到0.6‰。1960-1970年，在0.1~10 K的低溫下研究原子氫推進(jìn)劑的制取和貯存，在4 K溫度下可以將原子氫貯存幾個(gè)小時(shí)。從理論上推測(cè)，當(dāng)原子態(tài)含量在百分含量數(shù)量級(jí)時(shí)，貯存壽命可達(dá)幾十天。2

1981年提出用微波等離子產(chǎn)生原子氫。1974－1981年提出用高磁場(chǎng)和低溫的共同作用貯存原子氫，磁場(chǎng)強(qiáng)度為15T。2

1980年5月6日，一荷蘭物理學(xué)家小組已成功地制造出一些原子氫氣體,并使其穩(wěn)定下象。這項(xiàng)研究成果最終將會(huì)導(dǎo)致開發(fā)出一項(xiàng)新的節(jié)能技術(shù)。3

原子氫的應(yīng)用原子氫氣體由于其特性可以獲得廣泛應(yīng)用的重要特性。室溫下，不穩(wěn)定的原子氫在很理想的微波頻率內(nèi)會(huì)發(fā)出電磁輻射，已用于微波量子放大器件。原子氫的另一可能的應(yīng)用是作為一種獨(dú)特的能源。兩個(gè)氫原子復(fù)合成為氫分子時(shí)，會(huì)放出4.5電子伏的能量，如果在1秒鐘內(nèi)燃燒10克氫，可以獲得1百多萬(wàn)瓦的能量。由于原子氫的質(zhì)量輕、比推力大，有可能成為一種火箭燃料。1

原子氫推進(jìn)劑是將原子氫貯存在固氫顆粒中，用液氦帶動(dòng)固氫流動(dòng)，與液氧配對(duì)，通過(guò)采用原子態(tài)HEDM推進(jìn)劑，形成原子氫推進(jìn)劑，可以將比沖在氧氣氫氣的基礎(chǔ)上提高100 s以上，這就使空間飛行器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，起飛質(zhì)量減少80%。采用原子氫推進(jìn)劑，可節(jié)約火箭的發(fā)射成本和時(shí)間，無(wú)需在軌組裝，可以使火箭從地面飛到太陽(yáng)系。2

將氫分子加熱，特別是通過(guò)電弧或低壓放電，皆可得到原子氫。所得之原子氫僅能存在半秒鐘，隨后，便重新結(jié)合成，并放出大量熱。若將原子氫氣流通向金屬表面，則原子氫結(jié)合成分子氫的反應(yīng)熱足以產(chǎn)生高達(dá)4273K的高溫，這就是常說(shuō)的原子氫焰，可利用此反應(yīng)來(lái)焊接高熔點(diǎn)金屬。

原子氫清洗多層膜表面碳污染是通過(guò)高溫鎢絲裂解氫氣得到原子氫，將原子氫傳輸?shù)蕉鄬幽す鈱W(xué)元件碳污染表面，主要經(jīng)過(guò)化學(xué)相互作用與表面碳污染生成易揮發(fā)的碳?xì)浠衔?，揮發(fā)到背景環(huán)境中，由真空排氣系統(tǒng)抽出，完成清洗。4