金属氢是什么金属氢是什么物质 _小知识

2017初至，在科技界爆出一个革命性的科学新闻报道：人类首次合成了金属氢[1] 。几代科研工作者努力了八十多年，终于在哈佛大学的实验室中实现夙愿。新闻报道用了“革命性”“里程碑”“圣杯”等词汇来形容这一成果，但紧接着又爆发出质疑的声音。抛开争议，金属氢到底是什么？它是怎么被制造出来的，又有什么用？
【金属氢是什么金属氢是什么物质】撰文高子睿（大连理工大学化工与环境生命学部）
审校刘晓迪（中国科学院固体物理研究所）
编辑韩琨丁家琦
早在1935年，理论物理学家Wigner和Huntington就预言了金属氢的存在[2] ，激发了人类跨越世纪的探索。之前已经有不少科学家、课题组宣布他们合成了金属氢，随即又被证明无效。如此神奇的金属氢，之前地球上是不存在的。据说，木星核心由于巨大的压力和低温条件，有可能存在金属氢，不过这离我们太过遥远[3] 。
这次，科学家们还没兴奋几天，剧情便戏剧化地反转了。仅过了一个月，报道合成金属氢的两位科学家Isaac和Ranga表示，由于后续实验操作，加压用的金刚石对顶砧破裂，其中的金属氢或已灰飞烟灭。随即，便有更多科学家发声，质疑金属氢存在的真实性，双方就此争论不休。
要解决争论，进一步的实验是必要的，我们不妨拭目以待。不过，金属氢到底是什么？它和我们有关吗？我们能用它做什么？
氢、金属、金属氢氢
小时候，我们就知道把一种“轻气”充进气球里，气球就能飞起来，长大了才知道这种“轻气”是“氢气”——最轻的气体，而且它具有最简单的结构。

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图1. 氢分子示意图，大圆圈表示原子核，小圆圈表示电子，连线只表示联系（注：本图为漫画性的表达，制图：陈曦）
“氢”的应用范围十分广泛。人们熟悉的磁共振成像技术，最早是科学家在对氢原子的研究中发展产生的。氢燃烧之后只生成水，热值高且环保，在能源方面有广泛利用，如氢能源汽车、火箭燃料等。神秘的量子力学也离不开氢的参与——当年，正是玻尔将轨道系在了只有一个质子的氢原子核的腰间，才开启了奇幻的量子世界的大门。
总之，氢的神奇正如《氢的传奇》中美国作家约翰·里格登所说：“也许正是因为氢原子的这种简单，使科学家们得以解开自然界中的一些谜团。这个渺小的原子不断给那些最出色也最自信的科学家们带来惊奇，同时也不断为我们了解自然做出贡献。[4]
金属
说到金属，我们一定不会觉得陌生，但是要给金属下一个简单的定义，却并不容易。它有一些常见性质，比如通常有光泽，通常有良好的导电性等，但我们不能仅由性质来下定义。在此，我们不妨用金属键理论——金属中原子之间的作用力来定义。

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图2. 金属原子示意图（制图：陈曦）
金属中的原子一个个规则地排列着，而原先他们的“私有财产”——原子核外的一部分电子则被整个大家庭共享，称为自由电子。这些自由电子像是脱离了家长管束的小孩子，和小伙伴们自由地在原子的空隙中间跑来跑去，于是，电场下自由电子的定向移动解释了金属的导电性。

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图3. 金属导电性示意图（制图：陈曦）
金属氢
金属和氢的结合过程，看起来非常具有戏剧性。自然界造化万千，多样性体现在不同层次上，仅从化学的角度看，至今人类发现了构成物质世界的一百多种元素，各种元素的不同组合，体现在宏观物质世界上，就构成了无数的化合物和单质。哪怕一种确定的物质，也存在不同的状态。众所周知，水会变成固态的冰，也会变成气态的水蒸气。那么，氢气也应该有气态、液态和固态。我们知道，除了汞，金属在常温下都是固态的，那是不是说氢在极低的温度下（-259.2℃）凝固成固态氢，就成了金属氢了？问题当然不会这么简单，我们只能说金属氢只是氢在固态下的一种。当然，这并非绝对，还存在另一种液态形式的金属氢。本次新闻报道的则是通过低温高压手段得到的金属氢。

金属氢是什么 金属氢是什么物质

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