Hydro nguyên tử từ hóa

9

Hydro nguyên tử từ hóa

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
I. P. KRYLOV

Hydro là chất có nhiều nhất trong vũ trụ. Những ngôi sao sáng và khí lạnh giữa các vì sao có 90% là hydro, nguyên tố số 1 trong hệ tuần hoàn. 10% còn lại gần như hoàn toàn là helium - nguyên tố số 2. Tỷ lệ của tất cả các nguyên tố nặng hơn mà chúng ta có trên Trái đất, tính theo quy mô vũ trụ, chỉ chiếm 1/1000 tổng lượng vật chất. Hydro trên Trái đất tồn tại ở dạng phân tử, trong khi trong không gian hydro chủ yếu ở dạng nguyên tử. Có chuyện gì vậy? Có thể tạo ra và lưu trữ hydro nguyên tử trên Trái đất? Làm thế nào để làm điều này? Đáp số bạn sẽ nhận được câu trả lời cho những câu hỏi này bằng cách đọc bài viết này. Khí giữa các vì sao cực kỳ hiếm: trung bình có 1 nguyên tử hydro trên 1 cm³. Mật độ tối đa của hydro nguyên tử có thể thu được trong phòng thí nghiệm là bao nhiêu? Đáp số câu hỏi này được hỏi mỗi ngày, hoặc bây giờ các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm vật lý tiên tiến đang chăm chỉ làm việc để tăng mật độ này.

Tất cả các chất khí trên trái đất đều trở thành chất lỏng khi nhiệt độ giảm xuống và sau đó cứng lại. Helium chống lại sự biến đổi cứng đầu nhất của khí thành chất lỏng. Chỉ khi nhiệt độ giảm xuống vài độ gần độ không tuyệt đối (−273,15 °C) thì helium mới trở thành chất lỏng. Điều này lần đầu tiên được thực hiện cách đây gần 80 năm. Nhưng phần tử số 2 không được hoàn thiện hoàn toàn: không giống như các phần tử khác, nó không cứng lại ở áp suất bình thường, thậm chí ở mức 0 tuyệt đối. Hydro nguyên tử có trở thành chất lỏng không? Các nhà khoa học bây giờ không thể tự tin trả lời câu hỏi này đáp số. Có lý do để tin rằng nguyên tố số 1 ở dạng nguyên tử thậm chí còn có nhiều vốn hơn nguyên tố số 2, không những không cứng lại mà thậm chí còn không biến thành chất lỏng. Nhưng tốt hơn hết hãy làm theo thứ tự.

Hydro “Trái đất” và “Vũ trụ”: phân tử và nguyên tử

Trong sách giáo khoa, chúng ta đọc: “hydro là một chất khí nhẹ không dây, chuyển thành chất lỏng ở −253 °C và đông đặc ở −259 °C.” Tất cả những điều này được nói về hydro “trái đất” thông thường, hay nói theo ngôn ngữ chính xác, về hydro phân tử H₂. Tính chất của “vũ trụ”, hydro H nguyên tử hoàn toàn khác nhau. Hãy bắt đầu lại từ đầu. Chúng ta hãy nhớ cách tạo ra nguyên tử hydro - nguyên tử đơn giản nhất trong tự nhiên.

Nguyên tử hydro được hình thành bởi hai hạt cơ bản: proton và electron. Điện tích của chúng cùng độ lớn và trái dấu. Proton tích điện dương, nặng hơn electron 1836 lần và đóng vai trò là hạt nhân của nguyên tử có kích thước nhỏ hơn 10⁻¹² cm. Electron chuyển động xung quanh hạt nhân. Tuy nhiên, chuyển động của nó tuân theo một định luật lượng tử đặc biệt. Theo các khái niệm hiện đại, người ta không thể cho rằng một electron chuyển động theo một quỹ đạo cụ thể. Nó giống như bị “bôi nhọ”: thực hiện những nỗ lực độc lập để xác định vị trí của electron trong các nguyên tử hydro hoàn toàn giống hệt nhau, chúng ta sẽ phát hiện electron ở những điểm rất khác nhau xung quanh hạt nhân.* Đây là cách hình ảnh của một đám mây điện tử xuất hiện, mật độ của nó cho biết nơi nào nhiều hơn và nơi nào ít có khả năng phát hiện ra electron hơn (hình 1). Đám mây điện tử trong nguyên tử không có ranh giới rõ ràng; tuy nhiên, vượt quá một khoảng cách nhất định, mật độ giảm rất nhanh. Khoảng cách này có thể được coi là bán kính của nguyên tử. Đối với nguyên tử hydro, giá trị này được gọi là bán kính Bohr và bằng a=0,53·10⁻¹⁰ m=0,53 A (ở đây đơn vị chiều dài angstrom được sử dụng - 1 Å=10⁻¹⁰ m).

Electron và cùng với nó là toàn bộ nguyên tử hydro, có đặc tính từ tính: trong từ trường, nó hoạt động giống như một chiếc kim từ tính. Như thể electron bị “từ hóa”, nó có sọc bắc và nam. Tính chất này được minh họa rõ ràng bằng mũi tên chỉ vào

10

nó chỉ có hai hướng: dọc theo sân và chống lại sân. Bạn chỉ cần làm quen với hành vi lượng tử bất thường như vậy của điện cực. Trong thế giới vi mô, nhiều điều sẽ xảy ra hoàn toàn khác so với cuộc sống đời thường.

phân tử hydro

Bây giờ chúng ta hãy xem xét điều gì xảy ra khi hai nguyên tử hydro gặp nhau. Các nguyên tử nói chung là trung tính nên không có lực điện trên khoảng cách lớn. Khi khoảng cách giảm dần, các đám mây điện tử bắt đầu chồng lên nhau (hình 3). Từ các định luật cơ học lượng tử, bản chất biến dạng của các đám mây được xác định bởi sự định hướng lẫn nhau của mômen từ của các electron. Nếu các mũi tên chỉ hướng của mômen từ nhìn cùng hướng (xem hình 3), thì các đám mây electron giữa các hạt nhân sẽ thưa dần. Trong trường hợp này, lực đẩy chiếm ưu thế, tác dụng giữa các hạt nhân dày đặc hơn so với các điểm ở xa. Trong trường hợp này, lực hấp dẫn chiếm ưu thế. Nhấn mạnh rằng lực tương tác giữa các nguyên tử là lực điện; Lực tương tác từ trong trường hợp này rất nhỏ.

Thật thuận tiện để mô tả sự tương tác của các nguyên tử bằng cách sử dụng biểu đồ về sự phụ thuộc của năng lượng tương tác tiềm năng $U$ vào khoảng cách giữa các nguyên tử $r$. hình 4 hiển thị các biểu đồ này cho các hướng song song ($\uparrow\uparrow$) và phản song song ($\uparrow\downarrow$) của mô men từ của các nguyên tử hydro. Dấu dương của thế năng, như thường lệ, tương ứng với lực đẩy, dấu âm với lực hút. Như có thể thấy từ hình, ở những khoảng cách nhỏ, ngay cả trong trường hợp định hướng phản song song ($\uparrow\downarrow$), các nguyên tử bắt đầu đẩy nhau. Điều này xảy ra vì lực hút của các đám mây điện tử đối với các hạt nhân “ngoại lai” không còn có thể bù đắp cho lực đẩy của các hạt nhân tích điện dương. Vị trí cân bằng ổn định tương ứng với thế năng tối thiểu. Trong trường hợp này, hai nguyên tử hydro ở trạng thái $\uparrow\downarrow$ sẽ nằm ở khoảng cách $r_0=0,7\AA$.

Hình 1. Proton ở trung tâm đám mây điện tử là nguyên tử đơn giản nhất trong tự nhiên.

Hình 2. Một nguyên tử hydro trong từ trường hoạt động giống như một mũi tên từ tính - nó định hướng dọc theo các đường sức, thay đổi hướng liên tục. Ngược lại, nam châm điện tử không thể chiếm những vị trí trung gian; nó chỉ có hai hướng: hướng vào sân hoặc hướng vào sân.

điều khiển mô men từ*) (hình 2).

Như đã biết, một kim nam châm trong từ trường quay dọc theo các đường sức, thay đổi hướng liên tục. Ngược lại, nam châm điện tử không thể chiếm vị trí trung gian. Định luật lượng tử cho phép

*) Ở «Kvant» số 3 năm nay, trong mục “Trường học ở «Kvant»”, một bài báo đã được đăng về khoảnh khắc từ tính.

11

Một hệ thống ổn định được hình thành - một phân tử hydro. Năng lượng hình thành của một phân tử—“độ sâu giếng” trong biểu đồ $U(r)$—là $E_0 = 4,5$ eV. Khi các nguyên tử “hợp nhất” thành một phân tử, gọi là sự tái hợp, năng lượng này - năng lượng của sự tái hợp - phải được cung cấp cho các vật thể xung quanh. Trong quá trình ngược lại, được gọi là sự phân ly, năng lượng này—năng lượng phân ly—phải được cung cấp từ một nguồn bên ngoài. Chúng ta hãy lưu ý một lần nữa rằng ở trạng thái $\uparrow \uparrow$, các nguyên tử hydro hoàn toàn không thể tạo thành phân tử.

Đồ thị thế năng rất rõ ràng: hệ có xu hướng chuyển động giống như một chiếc xe trượt tuyết di chuyển trên một ngọn núi trơn trượt, độ dốc của nó được thể hiện trên biểu đồ. Đối với đồ thị $\uparrow \uparrow$ xe trượt sẽ di chuyển sang bên phải, trong vùng có khoảng cách lớn. Điều này có nghĩa là các nguyên tử đẩy nhau và di chuyển ra xa nhau. Trên đồ thị $\uparrow \downarrow$ có một độ dốc mà xe trượt sẽ di chuyển sang trái, về phía gốc tọa độ, tương ứng với lực hút của các nguyên tử hydro.

Các va chạm xảy ra như thế nào?

Nói chung, mômen từ của nguyên tử được định hướng ngẫu nhiên. Một nửa số va chạm sẽ bắt nguồn ở trạng thái $\uparrow \uparrow$ và nửa còn lại ở trạng thái $\uparrow \downarrow$.

Điều thú vị là không phải mọi va chạm của hai nguyên tử hydro ở trạng thái $\uparrow \downarrow$ đều dẫn đến sự hình thành một phân tử, tức là tái hợp. Quay lại hình minh họa của chúng ta với một chiếc xe trượt tuyết, chúng ta có thể dễ dàng tưởng tượng rằng, khi lăn lên một ngọn núi hoàn toàn trơn trượt từ đâu đó bên phải, chiếc xe trượt tuyết sẽ trượt xuống một cái hố, nhưng theo quán tính, nó bay sang con dốc đối diện và bị bỏ lại ở độ cao mà từ đó nó bắt đầu trượt trên sườn bên phải. Sau đó, chiếc xe trượt tuyết sẽ lại đi xuống, một lần nữa đến hố và đi về bên phải với cùng động năng mà nó đã đến. Rõ ràng là chuyển động có thể tưởng tượng được này sẽ xảy ra do định luật bảo toàn năng lượng, với điều kiện là hoàn toàn không có ma sát. Để tạo ra những ngọn núi, một phần động năng luôn tác dụng chống lại lực ma sát, tức là trong Tello, và sớm hay muộn chiếc xe trượt sẽ bị bỏ lại dưới đáy hố. Khi các nguyên tử hydro va chạm nhau, định luật bảo toàn năng lượng cũng đúng. Và không còn khó khăn nào ở đây nữa. Nếu chỉ có hai nguyên tử va chạm nhau thì chúng không có gì để truyền năng lượng. Khi chúng va chạm, các nguyên tử sẽ dính lại với nhau, thoát ra ngoài theo quán tính vào một vị trí ổn định, tụ lại với nhau cho đến khi chúng hoàn toàn rời xa, rồi lại phân tán, giống như những quả bóng đàn hồi hoàn hảo. Để tạo thành một phân tử, cần phải va chạm ngay lập tức: hai nguyên tử hydro và một thứ khác. Thể thứ ba có thể là bất cứ ai

13

Nếu bạn nhấn nhẹ vào la bàn, nó sẽ bắt đầu dao động và bạn sẽ không thể tìm ra hướng bắc cho đến khi kim la bàn dịu lại. Các nam châm cơ bản của nguyên tử thường xuyên chịu tác động từ các nguyên tử khác do bất kỳ chuyển động không ngừng nào của chúng. Do đó, ngay cả trong những nam châm mạnh nhất tạo ra trường $B \approx 30$ T, ở nhiệt độ phòng ($T = 300$ K), mômen từ của các nguyên tử hydro hướng dọc theo trường và ngược với trường với xác suất thực tế bằng 1/2. Chỉ bằng cách tạo ra một trường hàng nghìn thì chúng ta mới có thể định hướng được các nguyên tử ở nhiệt độ phòng. Nhưng chúng ta không biết cách tạo ra từ trường như vậy. Nhưng chúng ta có thể dễ dàng hạ nhiệt độ xuống! Kỹ thuật thu được nhiệt độ thấp $T \lesssim 1$K hiện đã được áp dụng ở nhiều phòng thí nghiệm. Ngoài ra, ở nhiệt độ này, nam châm có thể được chế tạo từ dây siêu dẫn. Nam châm siêu dẫn nhỏ tạo ra từ trường $B \approx 10$ T. Cuối cùng, chúng tôi đã đi đến bài toán kỹ thuật chính xác lời giải về lưu trữ hydro nguyên tử: một buồng trong từ trường của nam châm siêu dẫn ở nhiệt độ không cao hơn $T \approx 1$ K.

Cách dễ nhất để tạo ra nam châm siêu dẫn là cuộn dây siêu dẫn quanh một khung hình trụ. Cuộn dây như vậy còn được gọi là cuộn dây điện từ. Bằng cách cho dòng điện chạy qua hệ thống dây điện, chúng ta sẽ có được từ trường cực đại trong các cuộn dây bên trong, nơi đặt buồng hydro. Ngoài việc định hướng các nguyên tử, các nút điện từ sẽ thực hiện một vai trò quan trọng khác: nó sẽ hút nam châm nguyên tử vào vùng của một trường mạnh (giống như kim la bàn). Do đó, phía trên tâm của nam châm, nồng độ của các nguyên tử định hướng sẽ lớn hơn nhiều so với ở xa nam châm (hình 6).

Hydro nguyên tử phân cực là chất dễ bay hơi nhất

Trong các thí nghiệm đầu tiên được thực hiện vài năm trước tại Đại học Amsterdam, người ta đã thu được nồng độ $n$ khoảng $10^{15}$ nguyên tử và duy trì trong vài giờ

14

Hình 6. Một cuộn dây dòng điện hình trụ (soleond) tạo ra một từ trường làm quay các nguyên tử từ tính trong vùng từ trường mạnh bên trong cuộn dây và làm quay mômen từ của chúng dọc theo từ trường.

Hình 7. Sự nén hydro nguyên tử bằng một “piston” từ thể lỏng. Ở nhiệt độ rất thấp, thực tế không có hơi nước trong cơ thể.

hydro trong 1 cm khối ($n \sim 10^{15} \text{ cm}^{-3}$). Nó nhiều hay ít? So với khí cơ học ($n = 1 \div 10 \text{ cm}^{-3}$), con số này là rất nhiều. So với khí thông thường ở điều kiện bình thường thì con số này khá nhỏ. Chúng ta hãy nhớ lại rằng ở $0^\circ\text{C}$ và áp suất 1 atm, 1 cm$^3$ khí chứa khoảng $2,7 \cdot 10^{19}$ hạt. Vì vậy, trong những thí nghiệm đầu tiên, hydro nguyên tử rất hiếm.

Nhưng khi cải tiến kỹ thuật được thực hiện, nồng độ ban đầu tăng lên nhanh chóng. Sự bổ sung thành công nhất và nguyên thủy nổi tiếng là scatie. Mọi người đều biết cách vẽ sơ đồ không khí trong một xi lanh có piston chuyển động được. Điều tương tự có thể được thực hiện với hydro nguyên tử. Nhưng khi tương tác với bề mặt của tất cả các chất ngoại trừ chất lỏng, các nguyên tử sẽ kết hợp lại rất nhanh. Do đó, bề mặt bên trong của buồng, bao gồm cả piston, được bao phủ bởi một lớp màng chất lỏng. Nó có thể được thực hiện mà không cần piston; hay đúng hơn là sử dụng bề mặt của vật thể lỏng làm pít-tông. Lúc đầu, hydro lấp đầy gần như toàn bộ thể tích của buồng. Bằng cách nâng cao mức độ của thể lỏng, khí có thể biến thành một bong bóng nhỏ và nồng độ H có thể tăng lên hàng trăm, hàng nghìn lần (hình 7). Bằng cách này, một năm trước chúng tôi đã đạt được giá trị kỷ lục là $n = 5 \cdot 10^{18} \text{ cm}^{-3}$. Giá trị này đã có thể so sánh được với mật độ khí trong điều kiện bình thường. Sự tái hợp tương tự ngăn cản bạn nhận được nhiều hơn.

Tuy nhiên, liệu có đúng khi so sánh không khí trong phòng ấm với hydro nguyên tử rất lạnh? Tất nhiên, để đánh giá tốt hơn những gì có sẵn, cần phải so sánh tính chất của các loại khí khác nhau ở nhiệt độ thấp. Các thí nghiệm với hydro nguyên tử được thực hiện ở $T=0,5$ K. Chúng ta sẽ chọn nhiệt độ này để so sánh. Đồng hồ đo áp suất trực tiếp thay đổi áp suất $p$ và nồng độ $n$ được tính toán bằng công thức khí lý tưởng. Do đó, giá trị trên của $n$ được lấy từ giá trị áp suất đo được $p=35$ Pa. Hãy xem những áp suất nào có thể đạt được với các loại khí khác.

Như đã biết, nếu một chất khí được nén ở nhiệt độ không đổi, đủ thấp thì áp suất cực đại của áp suất hơi bão hòa là $p_{\text{н.п.}}$ của chất này. Việc lăn thêm sẽ không làm tăng áp suất khí, nhưng sẽ dẫn đến sự chuyển đổi sang pha lỏng hoặc rắn. Ở $T=0,5$ K, áp suất hơi bão hòa của tất cả các chất, ngoại trừ chất khí, thực tế là bằng nhau. Đối với isotone tự nhiên $^4$Nó rất nhỏ: $p_{\text{н.п.}}=0,002$ Pa; đối với nhân tạo $^3$Nó cao hơn đáng kể: $p_{\text{н.п.}}=21$ Pa, nhưng vẫn thấp hơn kỷ lục áp suất của hydro nguyên tử. Trong phân tích so sánh như vậy, dữ liệu thu được ở nhiệt độ thấp hơn sẽ ấn tượng hơn. Nhiệt độ thấp nhất mà nghiên cứu được thực hiện cho đến nay

(Cuối cùng xem trang 21)