Che cosa è idrogeno metallico?

Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e il capo scienziato presso il centro scientifico COSI. Sutter è anche l'ospite di Ask a This Webman e This Web Radio e guida AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo a Expert Voices: Op-Ed & Insights di questo Web.com.

Solido. Liquido. Gas. I materiali che ci circondano nel nostro mondo normale e quotidiano sono divisi in tre campi ordinati. Riscaldare un cubetto d'acqua solido (noto anche come ghiaccio) e quando raggiunge una certa temperatura, cambia le fasi in un liquido. Continua ad accendere il fuoco e alla fine avrai un gas: il vapore acqueo.

Ogni elemento e molecola ha il suo "diagramma di fase", una mappa di ciò che dovresti aspettarti di incontrare se gli applichi una temperatura e una pressione specifiche. Il diagramma è unico per ogni elemento perché dipende dalla precisa disposizione atomica/molecolare e da come interagisce con se stesso in varie condizioni, quindi spetta agli scienziati elaborare questi diagrammi attraverso un'ardua sperimentazione e un'attenta teoria. [Le più strane storie web del 2017]

Quando si tratta di idrogeno, di solito non lo incontriamo affatto, tranne quando viene riempito di ossigeno per rendere l'acqua più familiare. Anche quando lo prendiamo da solo, la sua timidezza gli impedisce di interagire con noi da solo, si accoppia come una molecola biatomica, quasi sempre come un gas. Se ne intrappoli un po' in una bottiglia e abbassi la temperatura a 33 kelvin (meno 400 gradi Fahrenheit o meno 240 gradi Celsius), l'idrogeno diventa un liquido e a 14 K (meno 434 gradi F o meno 259 gradi C), diventa un solido.

Penseresti che all'estremità opposta della scala della temperatura, un gas caldo di idrogeno rimarrebbe un gas caldo. Ed è vero, finché la pressione è mantenuta bassa. Ma la combinazione di alta temperatura e alta pressione porta ad alcuni comportamenti interessanti.

Immersioni profonde di Giove

Sulla Terra, come abbiamo visto, il comportamento dell'idrogeno è semplice. Ma Giove non è la Terra e l'idrogeno che si trova in abbondanza all'interno e al di sotto delle grandi bande e delle tempeste vorticose della sua atmosfera può essere spinto oltre i suoi limiti normali.

Sepolto in profondità al di sotto della superficie visibile del pianeta, le pressioni e la temperatura aumentano drammaticamente e l'idrogeno gassoso lascia lentamente il posto a uno strato di ibrido gas-liquido supercritico. A causa di queste condizioni estreme, l'idrogeno non può stabilizzarsi in uno stato riconoscibile. È troppo caldo per rimanere liquido, ma sotto troppa pressione per galleggiare liberamente come un gas è un nuovo stato della materia.

Scendi più in profondità e diventa ancora più strano.

Anche nel suo stato ibrido in uno strato sottile appena sotto le cime delle nuvole, l'idrogeno continua a rimbalzare come una molecola biatomica due per uno. Ma a pressioni sufficienti (diciamo, un milione di volte più intense della pressione atmosferica terrestre al livello del mare), anche quei legami fraterni non sono abbastanza forti da resistere alle schiaccianti compressioni e si spezzano.

Il risultato, al di sotto di circa 8.000 miglia (13.000 km) sotto le cime delle nuvole, è una miscela caotica di nuclei di idrogeno libero che sono solo singoli protoni mescolati con elettroni liberati. La sostanza ritorna ad una fase liquida, ma ciò che rende l'idrogeno idrogeno è ora completamente dissociato nelle sue parti componenti. Quando ciò accade a temperature molto elevate e basse pressioni, lo chiamiamo plasma, la stessa sostanza della maggior parte del sole o un fulmine.

Ma nelle profondità di Giove, le pressioni costringono l'idrogeno a comportarsi in modo molto diverso da un plasma. Invece, assume proprietà più simili a quelle di un metallo. Quindi: idrogeno metallico liquido.

Questo è metallo

La maggior parte degli elementi della tavola periodica sono metalli: sono duri e lucenti e sono buoni conduttori elettrici. Gli elementi ottengono quelle proprietà dalla disposizione che fanno con se stessi a temperature e pressioni normali: si collegano per formare un reticolo e ciascuno dona uno o più elettroni al vaso della comunità. Questi elettroni dissociati vagano liberamente, saltando da un atomo all'altro a loro piacimento.

Se prendi un lingotto d'oro e lo fondi, hai ancora tutti i vantaggi di condivisione di elettroni di un metallo (tranne la durezza), quindi "metallo liquido" non è affatto un concetto estraneo. E alcuni elementi che normalmente non sono metallici, come il carbonio, possono assumere quelle proprietà in determinate condizioni o condizioni.

Quindi, a prima vista, "idrogeno metallico" non dovrebbe essere un'idea così strana: è solo un elemento non metallico che inizia a comportarsi come un metallo ad alte temperature e pressioni. [L'idrogeno metallico prodotto in laboratorio potrebbe rivoluzionare il carburante per missili]

Una volta degenerato, sempre degenerato

Qual è il grande clamore?

Il grande clamore è che l'idrogeno metallico non è un metallo tipico. I metalli della varietà da giardino hanno quello speciale reticolo di ioni incorporato in un mare di elettroni fluttuanti. Ma un atomo di idrogeno smontato è solo un singolo protone, e non c'è niente che un protone possa fare per costruire un reticolo.

Quando schiaccia una barra di metallo, stai cercando di forzare gli ioni ad incastro più vicini, cosa che odiano assolutamente. La repulsione elettrostatica fornisce tutto il supporto di cui un metallo ha bisogno per essere forte. Ma i protoni sospesi in un fluido? Dovrebbe essere molto più facile da schiacciare. Come può l'idrogeno metallico liquido all'interno di Giove sostenere il peso schiacciante dell'atmosfera sopra di esso?

La risposta è la pressione di degenerazione, una stranezza quantomeccanica della materia in condizioni estreme. I ricercatori pensavano che condizioni così estreme potessero essere trovate solo in ambienti esotici e ultradensi come nane bianche e stelle di neutroni, ma si è scoperto che abbiamo un esempio proprio nel nostro cortile solare. Anche quando le forze elettromagnetiche sono sopraffatte, particelle identiche come gli elettroni possono essere schiacciate solo così strettamente insieme da rifiutarsi di condividere lo stesso stato quantomeccanico.

In altre parole, gli elettroni non condivideranno mai lo stesso livello di energia, il che significa che continueranno ad accumularsi uno sopra l'altro, senza mai avvicinarsi, anche se ti stringi molto, molto forte.

Un altro modo per guardare la situazione è attraverso il cosiddetto principio di indeterminazione di Heisenberg: se si tenta di definire la posizione di un elettrone spingendolo su di esso, la sua velocità può diventare molto grande, determinando una forza di pressione che resiste a un'ulteriore compressione.

Quindi l'interno di Giove è davvero una strana zuppa di protoni ed elettroni, riscaldata a temperature superiori a quella della superficie del sole, che subisce pressioni un milione di volte più forti di quelle sulla Terra e costretta a rivelare la loro vera natura quantistica.

Scopri di più ascoltando l'episodio "Cosa diavolo è l'idrogeno metallico?" sul podcast Ask A This Webman, disponibile su iTunes (si apre in una nuova scheda) e sul web all'indirizzo askaspaceman.com . Grazie a Tom S., @Upguntha, Andres C. e Colin E. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter facebook.com/PaulMattSutter.

Ir arriba