Намагниченный атомарный водород

Квант 1986, №7 с. 9, 10, 11, 13, 14 Тег 62FJ

Намагничный атомарный водород

Доктор физико-математических наук
И. П. КРЫЛОВ

Водород — самоое распространенное вещество во Вселенной. Пылающие звезды и холодный межзвездный газ на 90 % состоит из водорада — элемент № 1 перiodический системы. Остальные 10 % почти полностью составляют гелий — элемент № 2. На долю всех более тяжелых элементов, столбных у нас на Земле, в космических масштабах приходится всего лишь 1/1000 часть общего количества вещества. Водород на Земле существует в молекулярном виде, в то же время в космосе водород — в основном атомарный. В чем тут дело? Можно ли создать и сохранить атомарный водород на Земле? Как это сделать? Ответы на эти вопросы вы получите, прочитав эту статью. Междузвездный газ чрезвычайно разрежен: в среднем 1 atom водорада в 1 см³. Какие максимальные плотности атомарного водорада можно получить в лаборатории? Ответ на этот вопросяется издя в день, либо сейчас учены в передовых физических лабораториях уседно работают над увеличением этой плотности.

Все земные газы при пожении температуры становятся жидкими, а потом твердют. Наболее упорно превращению газа в жидкость сопротивлялся гелий. Лишь при пожении температуры до нескольких градусов вблизи абсолотного нуля (−273,15 °C) гелий стал жидким. Впервые это удалось сделать почти 80 лет назад. Но элемент № 2 не сделая полностью: в отличие от остальных элементов он не твердет при нормальном давлении даже при абсолотном нулле. Становится ли жидким атомарный водород? Уверенно ответа на этот вопрос учены сейчас даны не могут. Есть основание считать, что элемент № 1 в атомарном виде еще более капитизен, чем элемент № 2, и не только не твердет, но даже и не превращается в жидкость. Но лучше давайте по порядку.

«Земной» и «космический» водород: молекулы и atoms

В учебнике читаем: «водород — легкий беспроводный газ, превращающийся в жидкость при −253 °C и затвердающий при −259 °C». Все это говорится про обычный «земной» водород, или, выражаясь точным языком, про молекулярный водород H₂. Свойства «космического», атомарного водорада H, совсем другие. Начнем с самого начала. Вспомним, как устрой atom водорада — простейший atom в природе.

Atom водорада образован двумя элементарными частицами: протоном и электроном. Их электрические заряды равны по величины и противоположны по знаку. Протон заряжен положительно, в 1836 раз тяжелее электрона и служит ядром атома с размером менее 10⁻¹² см. Электрон движется вокруг ядра. Однако его движение подчиняется особым квантовым законом. По современным представлениям нельзя считать, что электрон движется по какой-то определенной орбите. Он как бы «размаzan»: предпринимая неависимые попытки определить местонахождение электрона в абсолотно одинаковых атомах водорада, мы будем обнаруживать электрон в самых разных точках водруг ядра.* Так возникает образ электронного облака, плотность которого указывает, где более, а где менее ввергоно обнаружить электрон (рис. 1). Электронное облако в атомах не имеет четкой границ; однако приprevшении неокоторого расстояния плотность спадает очень быстро. Это расстояние можно принять за радиус атома. Для атома водорада эта величина называется боровским радиусом и равна a=0,53·10⁻¹⁰ м=0,53 А (здесь использована единица длины ангстрем — 1 Å=10⁻¹⁰ м).

Электрон, а вместе с ним и весь atom водорада, обладает магнитными свойствами: в магнитном поле он ведет себя как магнитная стрелка. Как будто электрон «намагничен», у него есть сверрый и южный полоса. Это свойство наглядо изобравляет с помощью стрелки, показывающий на

ему имеет только две ориентации: по полю и против поля. К таким необычному квантовому поведению электрода надо просто привыкнуть. В микромире многое проискодит совсем иначе, чем в обычной жизни.

Молекула водорода

Рассмотрим теперь, что происходит при сближении двух atomов водорода. Атомы в целом нейтральны, так что на больших расстояниях электрические силы отсутствуют. При уменьшении расстояния электронные облака начинают перекрывать (рис. 3). Из законов квантовой механики следует, что характер деформации облаков определяется взаимной ориентацией магнитных моментов электронов. Если стрелки, показывающие направление магнитных momentов, смотрят в одну сторону (см. рис. 3), то электронные облака между ядрами разрежены. В этом случае премиущество имеет силы отталкивания, действующие между ядрами более плотны, чем в удаленных точках. При этом одерживают верх силы прияжения. Подчерком, что силы взаимодействия между atomами — электрические силы; силы магнитного взаимодействия в этом случае очень малы.

Взаимодействие atomов удобно описывать с помощью графика зависимости потенциальной энергии взаимодействия $U$ от расстояния между atomами $r$ . На рисунке 4 приведены эти графики для параллельной ( $\uparrow\uparrow$ ) и антипараллельной ( $\uparrow\downarrow$ ) ориентаций магнитных momentов atomов водорода. Положительный знак потенциальной энергии, как обычно, соответствует отталкивание, отрицательный — прияжению. Как видно из рисунка, на малых расстояниях даже в случае антипараллельной ориентации ( $\uparrow\downarrow$ ) atomы начинают отталкивание. Это происходит потому, что прияжение электронных облаков к «чужим» ядрам уже не может компенсировать отталкивание положительно заряженных ядер. Устойчивому положениюравновесия соответствует минимум потенциальной энергии. При этом два atomа водорода в состоянии $\uparrow\downarrow$ расположется на расстоянии $r_0=0,7\AA$ .

Рис. 1. Протон в центре электронного облака — простейший atom в природе.

Рис. 2. Atom водорода в магнитном поле ведет себя как магнитная стрелка — он ориентируется вдоль силовых линий, изменяясь во ориентацию непрерывно. В отличие от нее электронный магнитик не может занимать промежуточных положений; он имеет только две ориентации: против поля или полю.

правление магнитного момента*) (рис. 2).

Как известно, магнитная стрелка в магнитном поле поворачивается вдоль силовых линий, изменяясь во ориентацию непрерывно. В отличие от нее электронный магнитик не может занимать промежуточных положений. Квантовые законы позволяют

*) В «Кванте» № 3 за этот год в разделе «Школа в «Кванте» была опубликована статья, посвященная магнитному моменту.

Образуется устойчивая система — молекula водорода. Энергия образования молекулы — «глубина ямы» на графике $U(r)$ — составляет $E_0 = 4,5$ эВ. При «слиянии» atomов в молекулу, называемом рекомбинацией, эта энергия — энергия рекомбинации — должна быть отдана окружающим телам. При обратном процессе, называемом диссоциации, эта энергия — энергия диссоциации — должна быть доставлена из внешнего источника. Заметим еще раз, что в состоянии $\uparrow \uparrow$ atomы водорода вообще не могут образовать молекулу.

Графики потенциальной энергии обладают большой наглядностью: система стремится двигаться так, как двигались бы санки на скользкой горе, склон которого изображен на графике. Для графика $\uparrow \uparrow$ санки уехали бы вправо, в области больших расстояний. Это означает, что atomы отталкиваются и удалиются друг от друга. На графике $\uparrow \downarrow$ имеется склон, по которым санки двигались бы влево, к началу координат, что соответствует притяжению atomов водорода.

Как проискодят столковения

Obъчно магнитные моменты atomов ориентированы случайно. Половина столковенной проискодит в состоянии $\uparrow \uparrow$ , а другая половина — в состоянии $\uparrow \downarrow$ .

Интересно, что далеко не каждое столковение двух atomов водорода в состоянии $\uparrow \downarrow$ приведет к образованию молекулы, то есть к рекомбинации. Обращаясь к нашей иллюстрации с санками, мы легко себе представим, что, прикатившись на совершенное скользку гору откуда-то справа, санки сокользут вниз, в яму, но по инерции вылетят на противоположный склон и оставляют на высоте, с которой они начали скальывать на правом склон. Затем санки опять подут вниз, опять просочат до ямы и уедут вправо с той же кинетической энергей, с какой приехали. Ясно, что это образимое движение проискодит в силу закона сохранения энергии при условии полного отсутствия треня. Для реализации гор часть кинетической энергии всегда уходит на работу против сил треня, то есть в телло, и санки рано или поздно оставляются на дне ямы. При склижении atomов водорода также справедлив закон сохранения энергии. И здесь уже нет никаких трудностей. Если столковение только два atomа, то им нечем передать свою энергию. При столковении atomы слизятся, просочат по инерции устойчивое положение, соедутся до полной оставки, а потом опять разлетятся, как абсолотно упругие шарики. Для образования же молекулы необходимо столковение сразу тренел: двух atomов водорода и еще чего-нибудь. Третьим телом может быть любой

Компаса слегка ударить, то она начинает колебаться, и вы не сможете узнать направление на север, пока стрелка не успокоится. Элементарные магнитики atomов все время подвергаются ударам со стороны других atomов в результате никакого не прекрашающего теллового движения. Поэтому даже в самых сильных магнитах, которые создают поля $B \approx 30$ Тл, при комнатной температуре ( $T = 300$ К) магнитные моменты atomов водорода ориентируют по полю и против поля практические с равной вероятностью 1/2. Лишь создав поле в тысячи теся, мы смогли бы ориентировать atomы при комнатной температуре. Но таких магнитных полей мы создавать не умем. Зато мы легко можемпонзить температуру! Техника получения низких температур $T \lesssim 1$ К сейчас доступна многим laboratorиям. К тому же при этих температурах магнит можно сделать из сверхпроводшего провода. Небольшие сверхпроводящие магниты позволяют получить магнитные поля $B \approx 10$ Тл. Наконец мы пришли к правильному техническому решению проблем хранения atomарного водорода: камера в поле сверхпроводшего магнита при температуре не выше $T \approx 1$ К.

Сверхпроводящий магнит проще всего изготовить, намотав сверхпроводую проводку на цилиндрической каркас. Такую катушку еще иначе называют соленодом. Попустив по проводке электрической ток, мы получим магнитное поле, максимальное внутренние катушки, где и следует разместить водородную камеру. Помимо ориентации atomов соленоды справят еще одну важную роль: он втянет atomные магнитики в область сильного поля (так же, как принята стрелку компаса). Поэтому выше центра соленода концентрация ориентированных atomов будет гораздо больше, чем вдали от магнита (рис. 6).

Поляризованный atomарный водород — самый летучий

В первых опытах, поставленных несколько лет назад в Амстердамском университете, была получена и сохралась в течение нескольких часов концентрация $n$ около $10^{15}$ atomов

Рис. 6. Цилиндрическая катушка с током (солеонд) создает магнитное поле, которое вращает магнитные atoms в области сильного поля внутренки катушки и поворачивает их магнитные моменты вдоль поля.

Рис. 7. Сжатие атомарного водорода «поршнем» из жидкого тела. При очень низких температуре паров тела практически нет.

водорода в 1 кубическом сантиметре ( $n \sim 10^{15} \text{ cm}^{-3}$ ). Много это или мало? По сравнению с механиздным газом ( $n = 1 \div 10 \text{ cm}^{-3}$ ) это очень много. По сравнению с обычным газом при нормальных условиях это довольно мало. Напомним, что при $0^\circ\text{C}$ и давлении 1 атм в 1 cm $^3$ газа содержится около $2,7 \cdot 10^{19}$ частиц. Так что в первых опытах атомарный водород был весма разрежен.

Но по мере совершенствования технических концентраций быстро возрастает сначала. Наибольший успех присоединяющий и хорошо известный прим — скатие. Все знают, как схемают воздуха в цилиндре с подвижным поршнем. Так же можно сделать и атомарный водород. Но при сорриковении с поверхностями всех веществ, кроме жидкого тела, atoms очень быстро рекомбинируют. Поэтому внутреннюю поверхность камеры, в том числе и поршень, покрывают пленкой жидкого тела. Можно обойти и без поршня; вернее, использовать в качестве поршня поверхность жидкого тела. В начале водород заполняет почти весь объем камеры. Поднимая уровень жидкого тела, газ можно сделать в маленький пузыре и повышить концентрацию H в сотни и тысячи раз (рис. 7). Таким способом год назад удалось достичь рекордной величины $n = 5 \cdot 10^{18} \text{ cm}^{-3}$ . Это значение уже сравним с плотностью газа при нормальных условиях. Получить больше мешает все та же рекомбинация.

Однако правильно ли сравнивать теплый комнатный воздуха с очень холодным атомарным водородом? Конецно, чтобы лучше оценить доступную, надо сравнить свойства различных газов при низкой температуре. Эксперименты с атомарным водородом проводились при $T=0,5$ К. Эту температуру мы и выберем для сравнения. Манометрический датчик неисредственно изменял давление $p$ , а концентрация $n$ подчитывалась по формуле идеального газа. Так, приведенное выше значение для $n$ было получено по измеренной величины давления $p=35$ Pa. Давайте посмотрим, каких давлений можно достичь с другими газами.

Как известно, если скимать газ при постоянной достаточно низкой температуре, то максимальное давление давления насыщенных паров $p_{\text{н.п.}}$ данного вещества. Дальнейшее скатание не будет увеличивать давление газа, а будет приводить к переходу в жидкую или твердую фазу. При $T=0,5$ К давление насыщенных паров для всех веществ, за исключением газы, практическую равную. Для природного изотона $^4$ Не оно очень мало: $p_{\text{н.п.}}=0,002$ Pa; для искусственного $^3$ Не оно существенно выше: $p_{\text{н.п.}}=21$ Pa, но все же меньше рекорда давления атомарного водорода. При таком сравнительном анализе больше впечатление производят данные, полученные при понижении температуры. Самая низкая температура, при которойdo настоящего времени проводились

(Окончание см. на с. 21)