Твердый водород — это твердое состояние элемента водорода , достигаемое за счет снижения температуры ниже точки плавления водорода 14,01 К (-259,14 ° C; -434,45 ° F). Впервые он был собран Джеймсом Дьюаром в 1899 году и опубликован под названием «Sur la Solidification de l'Hydrogène» (англ. «О замерзании водорода») в « Annales de Chimie et de Physique» , 7-я серия, том. 18 октября 1899 г. [1] [2] Твердый водород имеет плотность 0,086 г/см 3 , что делает его одним из твердых тел с самой низкой плотностью.
При низких температурах и давлениях примерно до 400 ГПа (3 900 000 атм) водород образует ряд твердых фаз, образованных из дискретных молекул H 2 . Фаза I возникает при низких температурах и давлениях и состоит из гексагонального плотноупакованного массива свободно вращающихся молекул H 2 . При повышении давления при низкой температуре переход в фазу II происходит при давлениях до 110 ГПа. [3] Фаза II представляет собой структуру с нарушенной симметрией, в которой молекулы H 2 больше не могут свободно вращаться. [4] Если давление еще больше увеличивается при низкой температуре, фаза III возникает при давлении около 160 ГПа. При повышении температуры переход в фазу IV происходит при температуре несколько сотен Кельвинов в диапазоне давлений выше 220 ГПа. [5] [6]
Идентификация атомных структур различных фаз молекулярного твердого водорода чрезвычайно сложна, поскольку атомы водорода очень слабо взаимодействуют с рентгеновскими лучами, и в ячейках с алмазными наковальнями можно получить только небольшие образцы твердого водорода , поэтому дифракция рентгеновских лучей дает очень ограниченные результаты. информация о конструкциях. Тем не менее, фазовые переходы можно обнаружить, если искать резкие изменения в спектрах комбинационного рассеяния света образцов. Кроме того, атомные структуры можно определить на основе комбинации экспериментальных спектров комбинационного рассеяния света и моделирования из первых принципов. [7] Расчеты теории функционала плотности использовались для поиска потенциальных атомных структур для каждой фазы. Эти структуры-кандидаты имеют низкие свободные энергии и спектры комбинационного рассеяния света, согласующиеся с экспериментальными спектрами. [8] [9] [10] Квантовые методы Монте-Карло вместе с первопринципной трактовкой ангармонических колебательных эффектов затем были использованы для получения относительных свободных энергий Гиббса этих структур и, следовательно, для получения теоретической фазовой диаграммы давление-температура, которая находится в разумном количественном согласии с экспериментом. [11] На этом основании считается, что Фаза II представляет собой молекулярную структуру симметрии P 2 1 / c ; Фаза III представляет собой (или подобна) структуру симметрии C 2/ c , состоящую из плоских слоев молекул, расположенных в искаженном гексагональном расположении; и Фаза IV представляет собой (или подобна) структуру симметрии Pc , состоящую из чередующихся слоев сильно связанных молекул и слабосвязанных графеноподобных листов.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )