原子氢 （原子氢）

简介

氢是最简单的化学元素，由一个质子和一个电子组成。原子氢是宇宙空间中最多的元素，不过，那里漫无边际，平均密度为1个原子/米。地球上的氢也很多，但是，只在诸如水或双原子分子氢中以分子形式存在。普通教科书的观点是：原子氢不能作为中等密度的相对稳定(亚稳态)的气体而存在。荷兰研究人员采用放电方式让氢分子分割开，并在磁场中使氢原子分离，因为磁场迫使它们的轨道电子以相互平行的自旋排列。在这种条件下(在器壁夹层充以液氦的容器里，温度为绝对零度以上0.5℃)，结果证明氢原子彼此完全排斥，永远分开。

原子氢特点

将氢分子加热，特别是通过电弧或低压放电，皆可得到原子氢。所得之原子氢仅能存在半秒钟，随后，便重新结合成，并放出大量热。

放电获得的原子氢是极不稳定的，在百万分之一到千分之一秒的断电瞬间从，又会复合成稳定的分子态氢。如果原子氢气体是稳定的，将意味着什么？可先考察单原子的特性，再考察许多原子相互作用产生的共同效应。

原子氢气体具有不少新的引人注目的特性。例如：一个氢原子有一个磁矩，很象一个条形磁体。低温磁场中，磁力将使原子进入强磁场区。所有具有最低能级的原子亦应在强磁场区。玻色凝聚中，冷凝的原子都会以很明显的变化和特征密度剖面进入强磁场区。因此，弱磁场区的气体是正常的，而强磁场区的气体将具有超流性。

原子氢气体还有可以获得广泛应用的重要特性。

发展研究

早在上个世纪就知道的获得原子氢的一个方法是对氢气通电。电流使分子分解成中性原子并产生紫红色辉光放电。让光按波长而展开的分光光谱仪显示它由许多被叫做谱线的离散的颜色组成。解释单个氢原子光发射谱线遇到的困难曾导致1920年量子力学的发展，第二次世界大战后形成了量子电动力学，即电磁效应的量子理论。量子力学属于物理学的范畴，用以解释微观原子系统的运动和特性。例如，原子范围内，为原子核所束缚的电子只具有离散的(量子化)能量或角动量。与遵循经典力学的整个值域相矛盾。一般说来，在日常生活中接触到的大的宏观系统或物体中无法观测到量子力学效应。

1959年原子氢贮存密度达到0.6‰。1960-1970年，在0.1~10 K的低温下研究原子氢推进剂的制取和贮存，在4 K温度下可以将原子氢贮存几个小时。从理论上推测，当原子态含量在百分含量数量级时，贮存寿命可达几十天。

1981年提出用微波等离子产生原子氢。1974－1981年提出用高磁场和低温的共同作用贮存原子氢，磁场强度为15T。

1980年5月6日，一荷兰物理学家小组已成功地制造出一些原子氢气体，并使其稳定下象。这项研究成果最终将会导致开发出一项新的节能技术。

原子氢的应用

原子氢气体由于其特性可以获得广泛应用的重要特性。室温下，不稳定的原子氢在很理想的微波频率内会发出电磁辐射，已用于微波量子放大器件。原子氢的另一可能的应用是作为一种独特的能源。两个氢原子复合成为氢分子时，会放出4.5电子伏的能量，如果在1秒钟内燃烧10克氢，可以获得1百多万瓦的能量。由于原子氢的质量轻、比推力大，有可能成为一种火箭燃料。

原子氢推进剂是将原子氢贮存在固氢颗粒中，用液氦带动固氢流动，与液氧配对，通过采用原子态HEDM推进剂，形成原子氢推进剂，可以将比冲在氧气氢气的基础上提高100 s以上，这就使空间飞行器的结构更加紧凑，起飞质量减少80%。采用原子氢推进剂，可节约火箭的发射成本和时间，无需在轨组装，可以使火箭从地面飞到太阳系。

将氢分子加热，特别是通过电弧或低压放电，皆可得到原子氢。所得之原子氢仅能存在半秒钟，随后，便重新结合成，并放出大量热。若将原子氢气流通向金属表面，则原子氢结合成分子氢的反应热足以产生高达4273K的高温，这就是常说的原子氢焰，可利用此反应来焊接高熔点金属。

原子氢清洗多层膜表面碳污染是通过高温钨丝裂解氢气得到原子氢，将原子氢传输到多层膜光学元件碳污染表面，主要经过化学相互作用与表面碳污染生成易挥发的碳氢化合物，挥发到背景环境中，由真空排气系统抽出，完成清洗。