本期為大傢帶來:

《你知道嗎——現代科學中的100個問題》

本書是阿西莫夫的優秀作品之一。

作者以通俗的語言,深入淺出地解釋瞭現代科學中的一百個尖端課題。

其中,有些是瞭解現代科學技術所必須具備的基礎知識,如科學的研究方法、二進制數、相對論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當代科學技術的前沿陣地,如黑洞、統一場論、誇克、快子、金屬氫等。

作者對這些問題的來龍去脈,它們目前處在什麼樣的狀態、有沒有希望得到解決等問題均作瞭回答。

第八十六個問題:

什麼是金屬氫?氫怎麼能成為金屬?

當我們看到一種金屬的時候,大傢都知道它是金屬,因為金屬有一些不平常的性質。當金屬表面光滑時,它們反射光的效率很高,因此它們具有一種“金屬光澤”;但非金屬卻沒有很高的反射能力,因而具有一種“無光澤的顏色”。金屬容易變形,能夠制成金屬板和拉成金屬線;而非金屬在受到打擊時會被打碎,破裂或成為粉末。金屬易於導熱和導電;非金屬卻不能。

為什麼有這樣的差別?

在多大數普通化合物中,例如在我們周圍,看得見的海洋裡和土壤裡的那些化合物分子是由原子所構成的,這些原子由於共同享有電子而緊密地保持在一起。這裡的每一電子都緊緊地被束縛在某一個原子或另一個原子上。當出現這種情況時,物質就表現出非金屬性質。

根據這種準則,氫是一種非金屬。普通的氫分子是由兩個氫原子構成的。每個氫原子隻有一個電子,構成一個分子的兩個氫原子平均共享那兩個電子。沒有剩下的電子。

當一些電子不是牢固地受到束縛時會發生什麼情況呢?例如,我們看一看元素鉀吧。每個鉀原子都有19個電子,它們排列在 4個殼層中,隻有最外面殼層中的電子可供共享。在鉀原子的情況下,這就意味著它僅僅有一個電子可以為相鄰原子所共享。再則,這個最外面的電子被控制得特別松,因為在它和吸引它的中心原子核之間有另一些電子殼層,這些中間殼層把最外面的電子同中心引力隔開瞭。

在固體鉀中,原子緊密地結合在一起,就像我們有時在水果店裡看到的桔子堆成角錐形那樣。每個鉀原子有8 個相鄰原子。由於最外面的電子被控制得很松,而且許多相鄰原子又如此靠近,因而任何一個最外面的電子都易於從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。

可是,正是這些松而活動的電子,使得鉀原子有可能這樣緊密地結合在一起;使鉀有可能易於導熱和導電;也就使鉀有可能變形。總之,這些松而活動的電子使鉀(和其他元素以及含有這些元素的混合物)具有金屬性。

現在記住,氫像鉀一樣,僅僅有一個電子可以為相鄰原子所共享。然而,還有一個不同之處。在氫的一個(僅僅是一個)電子和中心原子核之間沒有起隔離作用的電子。因此,這個電子被控制得太緊瞭一些,以致不能進行足夠的運動來把氫轉變為金屬,或者迫使氫原子緊密地結合在一起。

但是,如果氫獲得瞭外力,那會出現什麼情況呢?如果氫不是由於本身電子的情況而是外界的壓力迫使它們緊密地結合在一起,那又會怎麼樣呢?假定有足夠的壓力把氫原子非常緊密地擠在一起,以致各個原子都被8個、10個甚至12個近鄰原子所包圍。於是,每個氫原子的單個電子,不管原子核有異常強的吸引力,就可能開始從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。這樣你就會得到“金屬氫”。

為瞭迫使氫這樣緊密地結合在一起,氫原子必須處在一種近於純粹的狀態中(其他種原子的存在會產生幹擾),並且不是在太高的溫度下(高溫會使它擴張)。氫原子還必須處在巨大的壓力下。在太陽系中最接近於滿足這些條件的地方是在木星的中心,因此有些人認為,木星的內部也許是由金屬氫所構成的。