压力增高,熔点降低(金属钠的新奥秘)
如果施加足够的压力,钠金属块在室温下也能熔化。钠是一种白色的轻金属,非常活跃,甚至到了危险的程度。它的熔点是371开尔文(98℃),但研究人员发现,如果施加足够的压力,钠会在室温下熔化。该研究表明,钠及有关元素(如氢元素)在高压环境下(如巨行星内部)会表现出某些奇异的特性。
钠元素完全符合人们给金属下的定义:正电子秩序井然地排列在电子的汪洋大海中。除了氢原子,所有元素周期表上与钠同族的元素——锂、钾、铯、铷——都具有这种简单的结构,被称为“碱金属”,具有独特的可压缩特性。物理学家推测,碱金属在被压缩时可能会出现奇特的现象。
他们并没有失望。在近日《物理学评论快报》刊登的一篇文章中,美国华盛顿市卡耐基研究院的浓缩物质物理学家Eugene Gregoryanz及伊利诺伊州阿尔贡国家实验室的同事们,报道了钠在120万个大气压下的奇异表现。他们将一块直径约40微米的钠置于金刚石砧台上,并给其施加压力。高压能使大部分物质在高温下维持固态,钠在某个临界点到来前也遵从这一规律。但是,当压力达到30万个大气压时,钠的熔点发生转折,逐步降低,最终,当压力达到120万个大气压时,钠的熔点降到了室温。极少有物质在压力下熔点降低,处于如此重压下的更是绝无仅有。例如,水在一个大气压的变化范围内会表现出这种特性。
X—射线衍射图像表明,被极度压缩的钠原子排列成与低压下截然不同的状态。研究人员推测,随着钠块被压缩,这些原子必须为压迫到更小空间里的自由电子腾出位置。
纽约州伊萨卡市康奈尔大学的致密物质理论学家Neil Ashcroft表示:“我们都认为,碱性金属并不具备太多新的物理特性”。不过他补充说,显而易见,改变压力“使它们的物理特性变得非常有趣”。他指出,如果钠的表现是这样,那么氢元素可能与此类似。宇宙的很大一部分是由氢元素组成的,与碱性金属类似的氢元素可能深埋在恒星和类似木星的行星内部。尽管地球上的研究人员不大可能给固态氢施加足够的压力,使其转换成金属元素,但研究高压下的钠元素可为了解氢元素的特性提供一些线索。
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