الهيدروجين الصلب

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

يُحفظ جهاز الأشعة تحت الحمراء الموجود على متن مستكشف المسح بالأشعة تحت الحمراء واسع المجال التابع لناسا في درجة حرارة منخفضة للغاية بواسطة خزان كروي من الهيدروجين المجمد يُسمى المبرد . وخلال عملية التجميع ، تم بناء سقالات حول المبرد لتوفير وصول كامل للمهندسين إلى المركبة الفضائية.

الهيدروجين الصلب هو الحالة الصلبة لعنصر الهيدروجين . عند الضغط القياسي ، يتحقق ذلك بخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة انصهار الهيدروجين البالغة 14.01 كلفن (-259.14 درجة مئوية؛ -434.45 درجة فهرنهايت) . جُمعت هذه المعلومات لأول مرة بواسطة جيمس ديوار عام 1899 ونُشرت بعنوان "حول تجميد الهيدروجين" (Sur la solidification de l'hydrogène) في مجلة "حوليات الكيمياء والفيزياء " ، السلسلة السابعة، المجلد 18، أكتوبر 1899. [ 1 ] [ 2 ] تبلغ كثافة الهيدروجين الصلب 0.086 غ/سم³ ، مما يجعله من أقل المواد الصلبة كثافة.    

الهيدروجين الصلب الجزيئي

عند درجات حرارة منخفضة وضغوط تصل إلى حوالي 400 جيجا باسكال (3,900,000 ضغط جوي) ، يشكل الهيدروجين سلسلة من الأطوار الصلبة المكونة من جزيئات H₂ منفصلة . يحدث الطور الأول عند درجات حرارة وضغوط منخفضة، ويتكون من مصفوفة سداسية متراصة من جزيئات H₂ تدور بحرية . عند زيادة الضغط عند درجة حرارة منخفضة، يحدث انتقال إلى الطور الثاني عند ضغط يصل إلى 110 جيجا باسكال. [ 3 ] يتميز الطور الثاني ببنية غير متناظرة حيث لا تستطيع جزيئات H₂ الدوران بحرية. [ 4 ] إذا زاد الضغط أكثر عند درجة حرارة منخفضة، يُصادف الطور الثالث عند حوالي 160 جيجا باسكال. عند زيادة درجة الحرارة، يحدث انتقال إلى الطور الرابع عند درجة حرارة بضع مئات من الكلفن ضمن نطاق ضغوط أعلى من 220 جيجا باسكال. [ 5 ] [ 6 ]  

يُعدّ تحديد البنى الذرية للأطوار المختلفة للهيدروجين الصلب الجزيئي تحديًا بالغًا، نظرًا لضعف تفاعل ذرات الهيدروجين مع الأشعة السينية، وقلة العينات المُتاحة من الهيدروجين الصلب في خلايا سندان الماس ، مما يجعل معلومات حيود الأشعة السينية محدودة للغاية. مع ذلك، يُمكن رصد التحولات الطورية من خلال البحث عن تغيرات مفاجئة في أطياف رامان للعينات. علاوة على ذلك، يُمكن استنتاج البنى الذرية من خلال الجمع بين أطياف رامان التجريبية ونمذجة المبادئ الأولى. [ 7 ] استُخدمت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية للبحث عن بنى ذرية مُرشحة لكل طور. تتميز هذه البنى المُرشحة بطاقات حرة منخفضة وأطياف رامان مُتوافقة مع الأطياف التجريبية. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] بعد ذلك، استُخدمت طرق مونت كارلو الكمومية، إلى جانب معالجة المبادئ الأولى لتأثيرات الاهتزازات غير التوافقية، للحصول على طاقات جيبس ​​الحرة النسبية لهذه البنى، ومن ثمّ الحصول على مخطط طور نظري للضغط ودرجة الحرارة يتوافق كميًا بشكل معقول مع التجربة. [ 11 ] على هذا الأساس، يُعتقد أن المرحلة الثانية هي بنية جزيئية ذات تناظر P 2 1 / c ؛ المرحلة الثالثة هي (أو تشبه) بنية ذات تناظر C 2/ c تتكون من طبقات مسطحة من الجزيئات في ترتيب سداسي مشوه؛ والمرحلة الرابعة هي (أو تشبه) بنية ذات تناظر Pc ، تتكون من طبقات متبادلة من الجزيئات المرتبطة بقوة والصفائح الشبيهة بالجرافين المرتبطة بشكل ضعيف.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ المراسلات والذكاء الاصطناعي العام DEWAR/Box DI
  2. ^ ديوار ، جيمس (1899). "على تصلب الهيدروجين" . حوليات الكيمياء والفيزياء . 18 : 145 – 150.
  3. ↑ ماو، هو-كوانغ؛ هيملي، راسل ج. (1 أبريل 1994). "التحولات تحت ضغط فائق في الهيدروجين الصلب". مراجعات الفيزياء الحديثة . 66 (2): 671-692 . Bibcode : 1994RvMP...66..671M . doi : 10.1103/RevModPhys.66.671 .
  4. ↑ غونشارينكو، إيغور؛ لوبير، بول (30 يونيو 2005). "دراسة حيود النيوترونات والأشعة السينية لانتقال طور التناظر المكسور في الديوتيريوم الصلب". مجلة نيتشر . 435 (7046): 1206-1209 . Bibcode : 2005Natur.435.1206G . doi : 10.1038/nature03699 . PMID 15988519. S2CID 4416401 .  
  5. ↑ هاوي، روس ت.؛ غيوم، كريستوف ل.؛ شيلر، توماس؛ غونشاروف، ألكسندر ف.؛ غريغوريانز، يوجين (19 مارس 2012). "الطور الجزيئي والذري المختلط للهيدروجين الكثيف" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 108 (12) 125501. Bibcode : 2012PhRvL.108l5501H . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.125501 . PMID 22540596 . 
  6. ↑ إيريميتس، ميخائيل آي .؛ ترويان، آي إيه (13 نوفمبر 2011). "الهيدروجين الكثيف الموصل". مجلة نيتشر ماتيريالز . 10 (12): 927-931 . Bibcode : 2011NatMa..10..927E . doi : 10.1038/nmat3175 . PMID 22081083 . 
  7. ↑ ماكماهون، جيفري م.؛ موراليس، ميغيل أ.؛ بيرليوني، كارلو؛ سيبرلي، ديفيد م. (13 نوفمبر 2012). "خواص الهيدروجين والهيليوم في ظل ظروف قاسية" (ملف PDF) . مراجعات الفيزياء الحديثة . 84 (4): 1607-1653 . Bibcode : 2012RvMP...84.1607M . doi : 10.1103/RevModPhys.84.1607 . OSTI 1107313 . 
  8. ↑ بيكارد، كريس جيه؛ نيدز، ريتشارد جيه (27 مايو 2007). "بنية الطور الثالث للهيدروجين الصلب" . مجلة نيتشر فيزيكس . 3 (7): 473-476 . Bibcode : 2007NatPh...3..473P . doi : 10.1038/nphys625 .
  9. ↑ بيكارد، كريس جيه؛ نيدز، ريتشارد جيه (17 فبراير 2009). "البنى تحت ضغط عالٍ من خلال البحث العشوائي". فيزيكا ستاتوس سوليدي ب . 246 (3): 536-540 . رمز Bibcode : 2009PSSBR.246..536P . doi : 10.1002/pssb.200880546 . S2CID 97258049 . 
  10. ↑ بيكارد، كريس جيه؛ مارتينيز-كاناليس، ميغيل؛ نيدز، ريتشارد جيه (15 يونيو 2012). "دراسة نظرية الكثافة الوظيفية للمرحلة الرابعة من الهيدروجين الصلب". مجلة Physical Review B. 85 ( 21) 214114. arXiv : 1204.3304 . Bibcode : 2012PhRvB..85u4114P . doi : 10.1103/PhysRevB.85.214114 . S2CID 119269630 . 
  11. ↑ دروموند، ن.د.؛ مونسيرا، ب.؛ لويد-ويليامز، ج.هـ.؛ لوبيز ريوس، ب.؛ بيكارد، كريس ج.؛ نيدز، ريتشارد ج. (28 يوليو 2015). "دراسة مونت كارلو الكمومية لمخطط الطور للهيدروجين الجزيئي الصلب عند ضغوط شديدة" . نيتشر كوميونيكيشنز . 6 7794. arXiv : 1508.02313 . Bibcode : 2015NatCo...6.7794D . doi : 10.1038/ncomms8794 . PMC 4525154. PMID 26215251 .  

للمزيد من القراءة

  • " خصائص الهيدروجين الصلب في درجات حرارة منخفضة للغاية " (2001)
  • " تجارب الهيدروجين الصلب للوقود الذري "