MIT TUDUNK MA A FÉMEKRŐL?
A fémeknek a mai technikai civilizáció fejlődésében alapvető szerepük van. Ezek az anyagok a többi szilárd testtől abban különböznek, hogy kristályrácsukban az elektronok szabadon mozognak, azaz delokalizáltak és a rács valamennyi atomjához egyaránt tartoznak. A fém belsejében mint „elektronfelhő” veszik körül a kristályrács pozitív fémionjait (enélkül a pozitív ionok taszítanák egymást és a kristály gőzzé oszlana szét). A fémes állapot alapfeltétele, hogy a szilárd halmazállapotú anyagot alkotó atomok mindegyikéről egy vagy több elektron leszakadhasson és a visszamaradó ionrács belsejében viszonylag szabadon mozoghasson. A fémben óriási mennyiségű – mintegy 1023/cm3 – szabad elektron mozog 1000 km/mp nagyságrendű sebességgel. Ez a helyzet akkor jön létre, ha az említett módon „közössé” vált, minden ionhoz egyformán tartozó elektronok összenergiája kisebb, mint abban az esetben volna, ha az egyes elektronok továbbra is meghatározott atomok vagy molekulák részeként helyhez lennének rögzítve.
A hidrogén, oxigén, illetve argon, kripton esetében az elektronok számára energetikailag kedvezőbb, ha az eredeti gázállapot molekulái, illetve atomjai megőrzik elektronjaikat az alacsony hőmérsékleten és normális nyomáson létrejövő kristályos halmazállapotban is. Ha egy hidrogénmolekulából álló, nem fémes szerkezetű hidrogénkristály nagy nyomás alá kerül, a hidrogénatomok átlagos egyensúlyi távolsága kisebb lesz, mozgási energiájuk megnő, az elektronok egyre könnyebben leszakadhatnak az őket kötő atomról, a visszamaradt ionok új rácsalakzatba rendeződhetnek, ez az alakzat pedig energetikailag a „közös” elektronoknak fog kedvezni.
Ebből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy minden anyag fémmé válhat, ha elegendően nagy nyomásnak van kitéve. A félvezető germánium és szilícium 120 000, illetőleg 190 000 atmoszféra nyomáson bekövetkező fémmé válását már megfigyelték.
Dr. William F. Libbi, a kaliforniai egyetem Nobel-díjas tudósa szerint a mesterséges gyémánt előállításakor, amikor egy grafitmintát erős robbanással nyomnak össze, a másodperc egymilliomod részéig a grafit több millió atmoszféra nyomás alá kerül és „szuperfém-állapot” jön létre.
A SZUPRAVEZETÉS ÉS A KOMPUTER „JÉGHIDEG SZÍVE“
Kammerlingh-Onnes holland fizikus felfedezte, hogy bizonyos hőmérséklet alatt nagyon sok fém szupravezetővé válik, azaz ellenállás nélkül vezeti az elektromosságot. Ez a szupravezető „fagypont”, az úgynevezett kritikus hőmérséklet minden ismert fém és ötvözet esetén igen alacsony; csak különleges laboratóriumok folyékony héliumot tartalmazó berendezéseiben valósítható meg, ami nagyon megnehezíti a munkát. Egyre újabb és újabb lendülettel folytak és folynak a kutatások a magasabb hőmérsékletű szupravezető után, azonban a legmagasabb kritikus hőmérséklet a -250°C közelében maradt.
Ha egy ilyen szupravezető fémből álló áramkör sarkaihoz feszültséget kapcsolunk, az áram végtelen hosszú ideig és azonos erősségben akkor is folyik, ha a feszültséget eltávolítjuk. (A perpetuum mobile álma mégsem valósul meg ezzel, mivel az áram így nem végez munkát.)
A műszaki alkalmazásban az ilyen apró szupravezető áramkörök lényegesen tökéletesítették a korszerű elektronikus számítógépek szerkezetét. A rendszer a folyékony hélium hőmérsékletén működik. Az áram hártyavékony – milliomod-milliméter vastag – szupravezető fémhálókban kering. A háló függőleges ágaiban folyó áram mágneses tere indukció útján áramot gerjeszt a vízszintes ágakban, tehát úgy működik, mint egy kapcsoló. A kapcsolási idő elképzelhetetlenül rövid. Egzakt módon még sohasem mérték meg, becslések szerint a másodperc huszonöt milliárdod része.
A FÉMES HIDROGÉN
gondolatát először Wigner Jenő és Huntington vetette fel 1935-ben. Megállapították, hogy a fémes módosulat várhatóan akkor alakul ki, ha a molekula kristályban a hidrogénmolekulák egymástól való távolsága annyira csökken, hogy eléri a hidrogénatomok molekulán belüli távolságát (0,74×10-8 centimétert). Az ehhez szükséges nyomás azonban nehezen számítható ki, mivel a molekuláris hidrogén kristály viselkedését nem ismerjük eléggé.
Az egyik legrészletesebb számítást, úgy tűnik, Schneider végezte, szerinte a molekuláris hidrogénkristály mintegy 2,5 Mbar (1 Mbar=0,987 millió atm) nyomáson „roppan össze”, hogy 0,7×10-8 centiméter atomtávolságú fémmé alakuljon. A hidrogén szupravezetését Abriszkov szovjet és Ashcroft amerikai kutatók jósolták meg a hatvanas években. A kritikus hőmérséklet Schneider 1969-es eredményei alapján 100 Kelvin-fok körüli érték. Ez folyékony levegővel való hűtést igényel, és nem jelent problémát a nagyipari alkalmazások szempontjából.
Brovman, Kagan és Holas szovjet, illetőleg lengyel kutatók kimutatták, hogy a fémes hidrogén kristályszerkezete várhatóan teljesen anizotrop és az egyszerű hexagonális kristályrácsból származtatható. A hidrogénatomok magjai szálakba rendeződve könnyen elmozdulhatnak, szinte „úsznak” az elektronok tengerében, a szálakra merőleges síkokban pedig igen merev hexagonális rend uralkodik. Mindezek alapján elmondhatjuk, hogy a hidrogén fém létezését illetően aligha lehetnek kétségeink, a magas szupravezető hőmérséklet is bizonyítottnak látszik. Jelenleg néhány Mbar nyomást sikerült lövedékek felrobbantása útján laboratóriumban létrehozni; a 4,6 Mbar nyomásérték elérése nem lehet messze. A fémes és a molekuláris szilárd hidrogén sűrűségében olyan óriási a különbség, hogy a már egyszer létrejött fémben aligha tud olyan mag kialakulni, amely a molekuláris fázis kiindulópontja lehetne; a visszaalakulás egyszerűen nem tud megkezdődni (hacsak nem a felületen, de ezt be lehet vonni egy másik fémmel, hogy a hidrogénmolekulák párolgása el ne kezdődjék).
A kérdés azonban mégis nyílt, mivel kvantummechanikai alapon nem kizárt a fém-molekuláris kristály átalakulás végbemenetele. A kérdés külön érdekessége az, hogy úgy tűnik, a szóban forgó anyagot
A TERMÉSZET MÁR „KITALÁLTA“.
A csillagászok szerint a Jupiter anyagának közel nyolcvan százaléka hidrogén. A Jupiter tömege 318-szor nagyobb a Földénél. Nincs szilárd kérge, alapvetően eltér minden más – űrlaboratóriumok segítségével vizsgált – bolygótól. Ramsey szerint a Jupiter hatalmas hidrogén-hélium gömb, fémes hidrogén-hélium maggal. A bolygó belsejében a nyomás néhány Mbar, úgyhogy tartósan kialakulhat a fémes hidrogén-hélium ötvözet. A bolygó mágneses terét vizsgálva arra lehet következtetni, hogy állandó áramok folynak a bolygó belsejében, ez a szupravezető hidrogén fém jelenlétére utal, tehát alátámasztja a feltételezést.
A Földünkön még sohasem látott szupravezető fémes hidrogén a jövő nagy ígérete: a termonukleáris reakció fűtőanyagává válhat, s egyben a veszteségmentes energiaszállítást is megoldaná… De mindezekre a reményeinkre a választ csak a jövő kísérletei adhatják meg.
Összeállította: Czégeni József
Megjelent a Hét V. évfolyama 45. számában, 1974. november 8-án.