Metalik hidrojen

Metalik hidrojen, hidrojenin iletken gibi davrandığı bir fazdır. Bu faz 1935 yılında Eugene Wigner ve Hillard Bell Huntington tarafından teorik olarak öngörülmüştür.^[1]

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.^[2]

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.^[1] O zamandan beri, laboratuvarda metalik hidrojen üretmek “yüksek basınç fiziğinin kutsal kasesi” olarak tanımlanmaktadır.^[3]

Gerekli basınç miktarı hakkındaki ilk tahminin çok düşük olduğu sonunda ortaya çıkmıştır.^[4] 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.^[5]^[6]

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^[7] 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.^[8]^[9]

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ ^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.
^ 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.
^ "High-pressure scientists 'journey' to the center of the Earth, but can't find elusive metallic hydrogen" (Basın açıklaması). ScienceDaily. 6 Mayıs 1998. Erişim tarihi: 28 Ocak 2017.
^ 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.
^ 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 $2. Bibcode:2014PhRvL.112p5501A. doi:10.1103/PhysRevLett.112.165501. PMID 24815656.
^ 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 . PMID 25815944.
^ 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 $2. doi:10.1021/acs.jpcc.2c05027. ISSN 1932-7447.
^ Ashcroft, N. W. (2000). "The hydrogen liquids". Journal of Physics: Condensed Matter. 12 (8A): A129-A137. doi:10.1088/0953-8984/12/8A/314.
^ 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 $2. doi:10.1038/nature02968. PMID 15470423.

[Wigner1935-1] 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.

[guillot04-2] 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. 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 $2. 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 . 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 $2. doi:10.1021/acs.jpcc.2c05027. ISSN 1932-7447.

[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 $2. doi:10.1038/nature02968. PMID 15470423.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]