元素漫談（二）氫

作者：鎖相（科研工作者，凝聚態物理學博士。）

氫，原子序數1，宇宙中最豐富的元素。氫有7種同位素，最常見的同位素不攜帶中子，只有一個質子。氫是結構上最簡單的原子，大部分量子力學的教科書中都有關于氫原子的介紹，因為它的薛定諤方程可以嚴格求解。

法國在穆魯羅阿測試核彈時的情景 來源：http://news.k618.cn/xda/201304/W020130409381107945920.jpg

碳水化合物含有氫，所以氫在我們的日常生活中無處不在。氫與氧、氮等元素可以形成氫鍵，它與離子性結合和共價鍵不同。離子性結合形成的離子晶體中，結合的單位為失去電子或者獲得電子的原子（正、負離子）而不是原子本身；正負離子相間排列，靠庫倫作用構成固體。共價鍵中，兩個原子共享一個電子，這兩個電子的波函數交疊。而氫鍵中，既有庫倫作用力，又有部分共價鍵的作用。氫鍵不僅能在分子內形成，還能在分子間形成。例如，水分子間的主要結合力就是氫鍵。氫鍵的結構靈活，鍵長鍵角都是可以變化的，如果具備氫鍵形成的條件，固液氣中都會盡可能多地形成氫鍵。盡管氫原子本身量子力學可解、氫鍵的概念已被提出了超過100年，如今關于理解氫鍵的科研工作還在繼續。

兩個氫可以組成雙原子分子H2，它室溫下以氣態形式存在，因此稱為氫氣。氫分子由共價鍵組成，共價鍵的現代理論開始于對氫分子的量子力學研究。氫氣是一種清潔能源，它與氧氣結合可以放出大量熱量。同等質量下，氫氣燃燒放出的熱量是煤炭的四倍以上，并且它的反應產物是水，對環境無害。氫氣可以來自天然氣的裂解或者直接由水的電解產生。如何高效利用太陽能和催化劑將水分解為氫氣和氧氣是一個重要的前沿研究課題。同等質量的氫比煤炭燃燒時放出的能量多，可是常溫時氫是氣體，同等體積下的氫氣存儲能量的能力遠低于碳，另外，氫氣在空氣中可能爆炸，所以如何安全高效地存儲氫氣也是一個重要的問題。高效存儲的方法之一是利用能吸附氫氣的材料，稱為儲氫材料。早期的儲氫材料能存氫到大氣中氫氣密度的千倍，現在儲氫材料的種類越來越多，實用存儲效率也越來越高。美國能源部關于儲氫電池的一個目標是，在空間、價格、安全等方面能與現有市場競爭的情況下，單次存儲能量滿足500公里以上的汽車行駛需要。

存儲氫氣的另一個有效方法是低溫環境。液體H2稱為液氫，它的沸點離絕對零度只有20開爾文；H2固體的熔點離絕對零度只有14開爾文，是常壓條件下熔點最低的固體。比氫氣還難固化的物質是氦，它只有在遠高于大氣壓和更低的溫度下才能成為固體。考慮到液體和氣體之間的密度差別，單位體積的液氫儲能能力遠高于單位體積的氫氣儲能能力。對液體加壓可以進一步增加密度，以增加儲能能力。液氫加上液氧可以作為火箭的燃料。當作為火箭燃料時，除了考慮單位體積下的儲能能力之外，更重要的是單位質量下的儲能能力。儲氫材料中一定存在非氫元素，它們無法轉換為能量，因此，液氫比儲氫材料更適合火箭。因為液氫溫度下只有氦氣能維持氣態，高壓氦氣是一個合適的壓力源以擠壓液氫到需要的位置。液氫的存儲比常規液體復雜得多。當兩個氫原子結合成氫分子時，如果考慮上自旋，有兩種可能的量子態，稱為正氫和仲氫。常溫下，這兩種量子態都是允許的，而極低溫時，液氫會盡量轉化為能量較低的一種量子態。量子態間轉化會發出熱量，因此液氫會吸收熱量而氣化。如果未讓氫分子充分轉化為低能量子態便直接降溫到液氫溫度，常壓條件下將液氫擱置一段時間后，這個轉化產生的熱量足以讓一半的液氫又重新變為氫氣。

從能源角度，核聚變才是氫最重要的舞臺。所謂核聚變，指的是兩個較輕的核結合為較重的核，這個過程可能產生其他粒子和大量的能量，也稱為輕核聚變。地球上的能量大部分來自太陽，而太陽的能量主要來自氫的核聚變。如果在比太陽溫度高一倍的恒星中，參與核聚變的元素更可能是碳和氮。地球上的核聚變其實也已經實現了，它就是氫彈（與輕核聚變對應的名詞是重核裂變，它對應的軍事應用是原子彈）。攜帶1個中子的氫同位素稱為氘，它在自然界中也穩定存在。氘可以參與聚變，兩個氘聚變可以產生一個氦3（3He，氦的一種穩定同位素）和一個中子；也可以產生一個氚（氫的另一種同位素，攜帶兩個中子，不穩定，半衰期12.4年）和一個質子。氫彈的“燃料”并不直接是氘，而是氘化鋰。氘化鋰是固體，比氣體的氘運輸和存儲更方便，當氫彈的“引信”原子彈爆炸時會產生大量中子，中子、氘、氚和鋰之間有多種聚變方式，可以產生大量能量。氫彈的外殼還可以采用鈾，讓聚變產生的中子進一步產生重核裂變。

和平利用可控裂變的核電站已經出現很久了，而可控核聚變的技術卻一直未能實現。在較容易出現的聚變反應中，主要的參與者有氘、氚、3He，6Li和中子。其中的氚和中子難以存儲，3He難以獲得；相比而言，氘很容易得到，大約每8,000個氫原子中有一個氘原子。氫原子大量存在于海水中，因此，通過氘的可控核聚變提供能源幾乎不存在原料供應問題，以現在人類消耗能源的速度幾乎可以算是取之不盡的。相比起來，人類現有的各種能源來源均有不足之處：煤和石油等化學燃料總量有限，基于核裂變的核能也受限于原料總量，而水電、風電和太陽能等可再生能源在單位時間內能提供的能量有限。如果能源不是問題，人類社會的很多生活習慣將可以輕松地被改變。例如，耗能大的個人飛行器將能普及，城市內交通不再局限于路面，而是可以實現多層次的立體交通；可以調節整個城市的溫度，減少嚴寒和酷熱天氣。如果能源不是問題，從技術層面，一個全新的能源技術革命馬上就會到來；從物理層面，人類也將能開展更高能量尺度的實驗，探索更深層次的粒子物理。

從氫彈到利用核聚變獲得民用能源，中間的瓶頸就在“可控”二字。一個顯而易見的難度就在于聚變發生時的溫度，如果你還意識到太陽的能量來自聚變的話。氘氘聚變的臨界溫度在1億開爾文的數量級，在這個溫度下，不再有固體、液體、氣體，物質都以等離子體形式存在，此時的電子與正離子并存。換句話說，任何常規意義上的容器都無法容納這個溫度下的核聚變反應。另外，等離子體還需要有足夠高的密度，否則如果核聚變產生的能量小于維持等離子體存在的能量，聚變將無法輸出能量。太陽之所以可以發生核聚變，是因為它巨大質量所產生的引力約束了等離子體，這樣的約束稱為慣性約束。可控核聚變的方案中，有的方案用激光慣性約束：利用激光提供能量讓小尺度（比如10微米量級）的聚變材料局域在小空間內加壓加溫。也有的方案用強磁場約束等離子體：帶電離子在磁場下可以做閉合回路運動，從而實現空間局域，這套方案有時也稱為托卡馬克。人們還在尋找各種不需要高溫的聚變方式，這些方案稱為冷核聚變。不管哪一套方案，實現它們所需要的技術難度都異常巨大。雖然人們期盼可控核聚變多年，雖然許多國家持續斥巨資開展相關研究，目前世界上還沒有可民用的核聚變技術。

氫，原子序數1，它是人類社會的能源基礎，它承載了新能源技術革命的希望。