基本介紹
- 中文名：原子氫
- 外文名：atomic hydrogen
- 所屬元素：氫
- 特點：不穩定、能量大
- 理論範疇：量子理論、量子力學
- 套用：推進劑、焊接、清洗
簡介,原子氫特點,發展研究,原子氫的套用,
簡介
氫是最簡單的化學元素，由一個質子和一個電子組成。原子氫是宇宙空間中最多的元素，不過，那裡漫無邊際，平均密度為1個原子/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。普通教科書的觀點是：原子氫不能作為中等密度的相對穩定(亞穩態)的氣體而存在。荷蘭研究人員採用放電方式讓氫分子分割開，並在磁場中使氫原子分離，因為磁場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,溫度為絕對零度以上0.5℃)，結果證明氫原子彼此完全排斥，永遠分開。
原子氫特點
將氫分子加熱，特別是通過電弧或低壓放電，皆可得到原子氫。所得之原子氫僅能存在半秒鐘，隨後，便重新結合成，並放出大量熱。
放電獲得的原子氫是極不穩定的，在百萬分之一到千分之一秒的斷電瞬間從，又會複合成穩定的分子態氫。如果原子氫氣體是穩定的，將意味著什麼？可先考察單原子的特性,再考察許多原子相互作用產生的共同效應。
原子氫氣體具有不少新的引人注目的特性。例如：一個氫原子有一個磁矩，很象一個條形磁體。低溫磁場中，磁力將使原子進入強磁場區。所有具有最低能級的原子亦應在強磁場區。玻色凝聚中，冷凝的原子都會以很明顯的變化和特徵密度剖面進入強磁場區。因此,弱磁場區的氣體是正常的,而強磁場區的氣體將具有超流性。
原子氫氣體還有可以獲得廣泛套用的重要特性。室溫下，不穩定的原子氫在很理想的微波頻率內會發出電磁輻射，已用於微波量子放大器件。原子氫的另一可能的套用是作為一種獨特的能源。兩個氫原子複合成為氫分子時，會放出4.5電子伏的能量，如果在1秒鐘內燃燒10克氫，可以獲得1百多萬瓦的能量。由於原子氫的質量輕、比推力大，有可能成為一種火箭燃料。
發展研究
早在上個世紀就知道的獲得原子氫的一個方法是對氫氣通電。電流使分子分解成中性原子並產生紫紅色輝光放電。讓光按波長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。解釋單個氫原子光發射譜線遇到的困難曾導致1920年量子力學的發展,第二次世界大戰後形成了量子電動力學，即電磁效應的量子理論。量子力學屬於物理學的範疇，用以解釋微觀原子系統的運動和特性。例如,原子範圍內，為原子核所束縛的電子只具有離散的(量子化)能量或角動量。與遵循經典力學的整個值域相矛盾。一般說來，在日常生活中接觸到的大的巨觀系統或物體中無法觀測到量子力學效應。
1959年原子氫貯存密度達到0.6‰。1960-1970年，在0.1~10 K的低溫下研究原子氫推進劑的製取和貯存，在4 K溫度下可以將原子氫貯存幾個小時。從理論上推測，當原子態含量在百分含量數量級時，貯存壽命可達幾十天。
1981年提出用微波等離子產生原子氫。1974－1981年提出用高磁場和低溫的共同作用貯存原子氫，磁場強度為15T。
1980年5月6日，一荷蘭物理學家小組已成功地製造出一些原子氫氣體,並使其穩定下象。這項研究成果最終將會導致開發出一項新的節能技術。
原子氫的套用
原子氫氣體由於其特性可以獲得廣泛套用的重要特性。室溫下，不穩定的原子氫在很理想的微波頻率內會發出電磁輻射，已用於微波量子放大器件。原子氫的另一可能的套用是作為一種獨特的能源。兩個氫原子複合成為氫分子時，會放出4.5電子伏的能量，如果在1秒鐘內燃燒10克氫，可以獲得1百多萬瓦的能量。由於原子氫的質量輕、比推力大，有可能成為一種火箭燃料。
原子氫推進劑是將原子氫貯存在固氫顆粒中，用液氦帶動固氫流動，與液氧配對，通過採用原子態HEDM推進劑，形成原子氫推進劑，可以將比沖在氧氣氫氣的基礎上提高100 s以上，這就使空間飛行器的結構更加緊湊，起飛質量減少80%。採用原子氫推進劑，可節約火箭的發射成本和時間，無需在軌組裝，可以使火箭從地面飛到太陽系。
將氫分子加熱，特別是通過電弧或低壓放電，皆可得到原子氫。所得之原子氫僅能存在半秒鐘，隨後，便重新結合成，並放出大量熱。若將原子氫氣流通向金屬表面，則原子氫結合成分子氫的反應熱足以產生高達4273K的高溫，這就是常說的原子氫焰，可利用此反應來焊接高熔點金屬。
