विश्व में क्या है मेटालिक हाइड्रोजन?

बृहस्पति के घूमते हुए बादलों के नीचे, सामान्य तत्व हाइड्रोजन एक बहुत ही अजीब स्थिति में मौजूद है।

(छवि: © लैला एर्सग, लिसे फ्रेंकिस डे टोरंटो / नासा / स्वआरआई / एमएसएसएस)

पॉल सटर ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी में एक खगोल भौतिकीविद् और COSI विज्ञान केंद्र के मुख्य वैज्ञानिक हैं। सटर एस्क अ स्पेसमैन और स्पेस रेडियो की मेजबानी भी करता है, और दुनिया भर में एस्ट्रोटर्फ का नेतृत्व करता है। सटर ने इस लेख को स्पेस.कॉम के एक्सपर्ट वॉयस: ओप-एड एंड इनसाइट्स में योगदान दिया।

ठोस। तरल। गैस। वे सामग्रियां जो हमें हमारे सामान्य, रोजमर्रा की दुनिया में घेरती हैं, तीन साफ-सुथरे शिविरों में विभाजित हैं। पानी के एक ठोस घन (उर्फ बर्फ) को गरम करें, और जब यह एक निश्चित तापमान तक पहुंचता है, तो यह चरणों को एक तरल में बदल देता है। गर्मी को क्रैक करते रहें, और अंततः, आपके पास एक गैस होगी: जल वाष्प।

प्रत्येक तत्व और अणु का अपना "चरण आरेख" होता है, जिसे आप एक विशिष्ट तापमान और दबाव पर लागू करने के लिए मुठभेड़ करने की अपेक्षा करते हैं। आरेख प्रत्येक तत्व के लिए अद्वितीय है क्योंकि यह सटीक परमाणु / आणविक व्यवस्था पर निर्भर करता है और यह विभिन्न स्थितियों के तहत अपने आप से कैसे संपर्क करता है, इसलिए यह वैज्ञानिकों के लिए कठिन प्रयोगों और सावधान सिद्धांत के माध्यम से इन आरेखों को छेड़ना है। [द स्ट्रेंजेस्ट स्पेस स्टोरीज़ ऑफ़ 2017]

जब हाइड्रोजन की बात आती है, तो आमतौर पर हम इसका सामना नहीं करते हैं, सिवाय इसके कि जब यह अधिक परिचित पानी बनाने के लिए ऑक्सीजन के साथ मिला हुआ हो। यहां तक ​​कि जब हम इसे अकेला करके प्राप्त करते हैं, तो इसका शर्मीलापन इसे हमारे साथ अकेले बातचीत करने से रोकता है - यह एक डायटोमिक अणु के रूप में, लगभग हमेशा गैस के रूप में। यदि आप एक बोतल में कुछ फँसाते हैं और टेम्प को 33 केल्विन (माइनस 400 डिग्री फ़ारेनहाइट, या माइनस 240 डिग्री सेल्सियस) तक खींचते हैं, तो हाइड्रोजन एक तरल बन जाता है, और 14 K (माइनस 434 डिग्री फ़ारेनहिस या माइनस 259 डिग्री सेल्सियस) पर, यह एक ठोस हो जाता है।

आपको लगता है कि तापमान के पैमाने के विपरीत छोर पर, हाइड्रोजन की एक गर्म गैस रहेगी ... एक गर्म गैस। और यह सच है, जब तक कि दबाव कम रखा जाता है। लेकिन उच्च तापमान और उच्च दबाव के संयोजन से कुछ दिलचस्प व्यवहार होते हैं।

जोवियन डीप डाइव्स

पृथ्वी पर, जैसा कि हमने देखा है, हाइड्रोजन का व्यवहार सीधा है। लेकिन बृहस्पति पृथ्वी नहीं है, और महान बैंड के नीचे और उसके वातावरण में प्रचुर मात्रा में पाए जाने वाले हाइड्रोजन को उसके सामान्य सीमा से परे धकेल दिया जा सकता है।

ग्रह की दृश्य सतह के नीचे गहरी दफन, दबाव और तापमान में नाटकीय रूप से वृद्धि होती है, और गैसीय हाइड्रोजन धीरे-धीरे सुपरक्रिटिकल गैस-तरल संकर की एक परत को रास्ता देता है। इन चरम स्थितियों के कारण, हाइड्रोजन एक पहचानने योग्य स्थिति में नहीं बस सकता है। यह एक तरल रहने के लिए बहुत गर्म है, लेकिन गैस के रूप में स्वतंत्र रूप से तैरने के लिए बहुत अधिक दबाव में - यह पदार्थ की एक नई स्थिति है।

गहराई से उतरो, और यह भी अजनबी हो जाता है।

यहां तक ​​कि क्लाउड टॉप के नीचे एक पतली परत में अपनी हाइब्रिड स्थिति में, हाइड्रोजन अभी भी दो-एक-एक डायटोमिक अणु के रूप में चारों ओर उछल रहा है। लेकिन पर्याप्त दबाव में (कहते हैं, समुद्र तल पर पृथ्वी के वायु दबाव से एक लाख गुना अधिक तीव्र), यहां तक ​​कि उन भ्रातृ बंध भी पर्याप्त नहीं हैं कि वे भारी दबावों का विरोध कर सकें, और वे स्नैप करते हैं।

परिणाम, लगभग 8,000 मील (13,000 किमी) नीचे क्लाउड टॉप के नीचे, मुक्त हाइड्रोजन नाभिक का एक अराजक मिश्रण है - जो केवल एकल प्रोटॉन हैं - मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। पदार्थ एक तरल चरण में बदल जाता है, लेकिन जो हाइड्रोजन बनाता है वह अब पूरी तरह से अपने घटक भागों में अलग हो जाता है। जब यह बहुत अधिक तापमान और कम दबाव पर होता है, तो हम इसे एक प्लाज्मा कहते हैं - सूरज के थोक या हल्के बोल्ट के समान सामान।

लेकिन बृहस्पति की गहराई में, दबाव हाइड्रोजन को एक प्लाज्मा की तुलना में बहुत अलग तरीके से व्यवहार करने के लिए मजबूर करता है। इसके बजाय, यह एक धातु के गुणों के समान गुणों पर अधिक प्रभाव डालता है। इसलिए: तरल धातु हाइड्रोजन।

आवर्त सारणी के अधिकांश तत्व धातु हैं: वे कठिन और चमकदार हैं, और अच्छे विद्युत कंडक्टर बनाते हैं। तत्व उन गुणों को उस व्यवस्था से प्राप्त करते हैं जो वे सामान्य तापमान और दबावों में स्वयं के साथ बनाते हैं: वे एक जाली बनाने के लिए लिंक करते हैं, और प्रत्येक समुदाय पॉट को एक या अधिक इलेक्ट्रॉनों का दान करता है। ये विघटित इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से घूमते हैं, परमाणु से परमाणु की ओर बढ़ते हुए कृपया उन्हें।

यदि आप सोने की एक पट्टी लेते हैं और इसे नीचे पिघलाते हैं, तो भी आपके पास धातु के सभी इलेक्ट्रॉन-साझाकरण लाभ हैं (कठोरता को छोड़कर), इसलिए "तरल धातु" यह सब विदेशी नहीं है। और कुछ तत्व जो सामान्य रूप से धात्विक नहीं होते हैं, जैसे कार्बन, उन गुणों को कुछ व्यवस्थाओं या शर्तों के तहत ले सकते हैं।

इसलिए, पहले ब्लश पर, "मेटालिक हाइड्रोजन" को एक अजीब विचार नहीं होना चाहिए: यह सिर्फ एक अधातु तत्व है जो उच्च तापमान और दबाव पर एक धातु के रूप में व्यवहार करना शुरू कर देता है। [लैब-मेड 'मेटालिक हाइड्रोजन' रॉकेट फ्यूल में क्रांति ला सकता है]

एक बार एक पतित, एक पतित हमेशा

क्या बड़ा उपद्रव है?

बड़ा उपद्रव यह है कि धातु हाइड्रोजन एक विशिष्ट धातु नहीं है। गार्डन किस्म की धातुओं में उस विशेष जाली के आयन होते हैं जो मुक्त-तैरते इलेक्ट्रॉनों के समुद्र में अंतर्निहित होते हैं। लेकिन एक स्ट्रिप-डाउन हाइड्रोजन परमाणु सिर्फ एक प्रोटॉन है, और एक जाली बनाने के लिए एक प्रोटॉन कुछ भी नहीं कर सकता है।

जब आप धातु की एक पट्टी पर निचोड़ते हैं, तो आप इंटरलॉकिंग आयनों को एक साथ बंद करने के लिए मजबूर करने की कोशिश कर रहे हैं, जिससे वे बिल्कुल नफरत करते हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण एक धातु को मजबूत करने के लिए आवश्यक सभी सहायता प्रदान करता है। लेकिन प्रोटॉन एक द्रव में निलंबित होते हैं? यह बहुत आसान करने के लिए किया जाना चाहिए। बृहस्पति के अंदर तरल धात्विक हाइड्रोजन इसके ऊपर के वायुमंडल के कुचलने वाले वजन का समर्थन कैसे कर सकता है?

जवाब है अध: पतन दबाव, चरम स्थितियों के तहत पदार्थ की एक क्वांटम मैकेनिकल क्विक। शोधकर्ताओं ने ऐसी स्थितियों के बारे में सोचा कि चरम केवल सफ़ेद बौनों और न्यूट्रॉन सितारों जैसे बाहरी, पराबैंगनी वातावरण में पाया जा सकता है, लेकिन यह पता चलता है कि हमारे पास हमारे सौर पिछवाड़े में एक उदाहरण है। यहां तक ​​कि जब विद्युत चुम्बकीय बल अभिभूत होते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों जैसे समान कणों को केवल एक साथ इतनी कसकर निचोड़ा जा सकता है - वे एक ही क्वांटम यांत्रिक स्थिति को साझा करने से इनकार करते हैं।

दूसरे शब्दों में, इलेक्ट्रॉन कभी भी समान ऊर्जा के स्तर को साझा नहीं करेंगे, जिसका अर्थ है कि वे एक-दूसरे के ऊपर जमा रहेंगे, कभी भी करीब नहीं होंगे, भले ही आप वास्तव में बहुत मुश्किल से निचोड़ लें।

स्थिति को देखने का एक अन्य तरीका तथाकथित हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत के माध्यम से है: यदि आप एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति को धक्का देकर नीचे गिराने की कोशिश करते हैं, तो इसका वेग बहुत बड़ा हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप एक दबाव बल होता है जो आगे निचोड़ने का प्रतिरोध करता है।

तो बृहस्पति का इंटीरियर वास्तव में अजीब है - प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों का एक सूप, जो सूर्य की सतह से अधिक तापमान तक गर्म होता है, पीड़ित पृथ्वी पर उन लोगों की तुलना में एक लाख गुना अधिक मजबूत होता है, और अपने सच्चे क्वांटम जाल प्रकट करने के लिए मजबूर होता है।

"दुनिया में क्या धातुई है?" Ask A Spaceman पॉडकास्ट पर, iTunes पर और वेब पर askaspaceman.com पर उपलब्ध है। टॉम एस, @Upguntha, एंड्रेस सी, और कॉलिन ई के लिए धन्यवाद जिन्होंने इस टुकड़े का नेतृत्व किया! #AskASpaceman का उपयोग करके या पॉल @PaMMattSutterfacebook.com/PaulMattSutter का उपयोग करके ट्विटर पर अपना प्रश्न पूछें।