Vom flüchtigen zum festen Wasserstoff

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Walther Holst
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1 Vom flüchtigen zum festen Wasserstoff HartmutZabel Festk ö rpe rph ysik RU B Ruhr-Universität Bochum Festkorperphysik 20. Mai 2000

2 Restaurant mit Aussicht

3 Zeppelin Hindenburg, Landung in New York, 1937

4 Wasserstoff - Bombe, 6. November 1952, Eniwetok Atoll, Pazifischer Ozean

5 Überblick: 1. Das Wasserstoff-Atom 2. Das Wasserstoff-Molekül 3. Thermodynamische Eigenschaften 4. Metallischer Wasserstoff? 5. Wasserstoff in Festkörpern 6. Anwendungen

6 I. Das Wasserstoff- Atom

7 Historische Entwicklung 1766 H. Cavendish: Entdeckung von Wasserstoff als unabhängige Substanz ( brennbare Luft ) 1792 A. Lavoisier: Nennt die neue Substanz Hydrogen = H, aus dem griechischen Wasserbildner 1866 T. Graham: Entdeckt Löslichkeit von Wasserstoff in Metallen 1913 N. Bohr: Atommodell 1925 W. Heitler und F. London: Homöopolare Bindung des Wasserstoffmoleküls 1932 H.Urey: Entdeckung des Wasserstoff-Isotopes Deuterium 1938 Lacher: Gittergasmodell von Wasserstoff in Metallen (1989 M. Fleischmann und S. Pons: Kalte Fusion von Wasserstoff in Palladium)

8 Fundamentale Eigenschaften von Wasserstoff: Leichtestes und einfachstes Atom Häufigstes Element des Universums (>90%) Kommt frei nicht vor, nur im gebundenen Zustand geruchslos, geschmacklos, farblos 3 Isotope: H, D, T Schmelztemperatur = -259 C Siedetempertur= C Dichte: kg/m 3 (Luft =1.293 kg/m 3 )

9 Wasserstoff-Flamme

10 Vorkommen der chemischen Elemente (ppb nach Gewicht) gegen Ordnungszahl aufgetragen

11 Wasserstoff Atom Potentielle Energie des Elektrons: e 2 E = pot r Spektrallinien: ν = R H R H 1 n n 2 2 = cm 1

12 Orbitale oder Aufenthaltswahrscheinlich -keiten der Elektronen im H Atom: Bohr sches Atommodell (1913) Quantenzahlen: n=1, l=0 n=2,l=1,m l =0 n=4, l=3, m l =1

13 2. Das Wasserstoff - Molekül

14 H 2 - Molekül: e 1 e 2 r 12 H H r a1 r b1 p a r ab p b Potentielle Energie: E pot = e r r r r r r a1 b2 a2 b1 ab 12

15 Molekülbindung nur im Singulettzustand (S=0) der Elektronen! = 1σ Bindung

16 Molekül-Rotationen: C O C O

17 Hantel als Rotator Rotationsenergie eines klassischen starren Rotators 2 J E = 2 I J = Drehimpuls I = Trägheitsmoment Rotationsenergie eines quanten-mechanischen Rotators: E = J ( J + 1) J=0,1,2,...diskrete Zahlen! 2 2 I

18 Ortho- und Parawasserstoff Kern-Spin der Protonen: 1/2 Ortho- Wasserstoff Para- Wasserstoff Spin 1/2 Teilchen heissen Fermionen

19 Drehimpulse im Wasserstoff-Molekül Elektronen-spin: antiparallel (1σ) J Kern-spin: parallel: ortho aniparallel: para Drehimpuls der Molekülrotation J muß verträglich sein mit der Symmetrie (Anordnung) der Kernspins

20 Rotation des Moleküls um 180 ist gleichbedeutend mit Austausch von Kernen; Gesamtwellenfunktion muss dabei sein Vorzeichen ändern: (-1) J Spinaustausch macht Vorzeichenänderung, daher J=0,2,4,... Spinaustausch macht keine Vorzeichenänderung, daher J=1,3,5,... Para-Wasserstoff: Ortho-Wasserstoff Vorzeichenänderung der Gesamtwellenfunktion

21 Bei hohen Temperaturen gibt es dreimal soviel Ortho- wie Para-Wasserstoff Niedrigster Rotationszustand für Ortho- Wasserstoff Niedrigster Rotationszustand für Para- Wasserstoff Bei T=0 (Grundzustand) nur Parawasserstoff!

22 3. Thermodynamische Eigenschaften

23 Phasendiagramm von Wasserstoff Phasendiagramm von Helium Druck 1 bar fest flüssig 2.3bar 0 0 gasf. 14 K 20 K Temperatur 4.2K 5.2K

24 4. Metallischer Wasserstoff?

26 Kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur

27 Festkörperstruktur (Pa 3 ) von molekularem H 2 : Isolator, transparent, sehr grosse Energielücke von ca 9 ev

28 Hochdruck Experimente Molekularer Festkörper flächenzentriert 2-4 Mbar Atomarer Wasserstoff- Festkörper hexagonal Wird Wasserstoff bei hohen Drücken metallisch? Theoretiker sagen eine metallische Phase oberhalb von 4 Mbar voraus. Zuerst wird der molekulare Wasserstoff - Kristall elektrisch leitfähig, dann wandelt er sich um in einen atomaren Wasserstoff - Kristall mit metallischen Eigenschaften

29 Druckskala Metallisierung von Wasserstoff erwartet Druck tief im Ozean Metallisierung von Ge, Si, O, S Mond Zentrum Erdzentrum Druck (kbar)

30 Isolator: E Leitungsband Isolator: Ε=Εnergielücke E Valenzband E Halbleiter: E Leitungsband Ε=4 8 ev Valenzband Leitungsband Ε=1 2 ev Valenzband Metall: Leitungsband Valenzband Ε=0

31 Druck Metall - Isolator Phasenübergang von festem Para-Wasserstoff Energielücke

32 Hochdruck-Experimente mit Diamand Zange

33 Phasendiagramm von Parawasserstoff bei hohen Drücken Temperatur (K) Isolator Metall? Druck (Mbar)

34 Jupiter und sein Aufbau Molekulare Wasserstoff- Gasatmosphäre Metallischer flüssiger oder fester Wasserstoff Harter Gesteinskern

35 Hydrogen certainly is the simplest atom. It's not at all the simplest solid. Arthur Ruoff, Cornell University Wasserstoff ist sicherlich das einfachste Atom. Es ist aber bestimmt nicht der einfachste Festkörper Arthur Ruoff, Cornell University

36 5. Wasserstoff in Festkörpern

37 Dissoziation des Wasserstoff - Moleküls H 2 an der Metall - Oberfläche: Brechen der Molekülbindung Pt, Pd, Nb, V, Ti,...

38 Atomarer Wasserstoff auf Zwischengitterplätzen der Metallstruktur Eigenschaften von H in Metall: Gitterexpansion Schnelle Diffusion Wasserstoff- Versprödung

39 Gittergas oder Metall - Hydrid?

40 Phasendiagramm von Wasserstoff in Niobium

41 Molekularstrahl-Epitaxie Anlage an der Ruhr- Universität Bochum zur Herstellung reinster ultradünner Metallschichten

42 Schalten mit Wasserstoff! Y ohne Wasserstoff YH 3 mit Wasserstoff J. N. Huiberts, R. Griessen, J. H. Rector, R. J. Wijngarten, J. P. Dekker, D. G. de Groot, and N. J. Koeman, Nature 380, 231 (1996).

44 Wasserstoffdiffusion optisch sichtbar gemacht: F.J.A. den Broeder et al. Nature 394 (1998) 656.

45 Wo sitzt der Wasserstoff?

46 Beugung am Kristallgitter d θθ Bedingung für konstruktive Interferenz: 2 = n λ = d sinθ Bragg-Gleichung: 2d sinθ = nλ

47 Streuexperimente mit Neutronen: Monochromatischer Neutronenstrahl vom Kernreaktor 2θ dω Detektor

48 Institut Laue Langevin (Forschungsreaktor für Neutronenstreuung) und European Synchrotron Radation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich

49 Diffraktometer für Neutronen am Institut Laue-Langevin, Grenoble

50 Phasendiagramm von Wasserstoff in Yttrium: Schichtenstruktur: Y YH 2 YH 3 A B A 0.573nm 0.600nm 0.662nm

51 6. Anwendungen

53 Brennstäbe aus 235 UZrH 2 Schwingungsanregung von Wasserstoff durch ein Neutron thermische Modertion von Neutronen Neutron aus Spaltprodukt Idee: Eduard Teller

54 Inhärent sicher!

55 Brennstoffzelle im Auto mit Methanol-Reformer

56 Prinzip der Brennstoffzelle H 2 von Treibstoff -Tank hydrogen (from fuel) H 2 2e e - Electrolyte 2e - oxygen O 2 (air) von Luft + + 2H + 2H + 2H O 2 H 2 O Anode Cathode Kathode Auspuff: Wärme und Wasser heat + water

59 Wasserstoff-Herstellung Wasserdampf über heisser Kohle Thermische Dissoziation von Kohlenwasserstoffen Elektrolyse mit Wasser Separation von Säuren mit Metallen

60 Elektrolyse 2H 2 0(flüssig)+1.23eV 2H 2 (gasf.) + O 2 (gasf.) Explosive Umkehrreaktion: Knallgasreaktion 2H 2 (gasf.) + O 2 (gasf.) 2H 2 0(flüssig) Kontrollierte Umkehrreaktion: Brennstoffzelle 2H 2 (gasf.) + O 2 (gasf.) 2H 2 0(flüssig)

63 Speicherung von Wasserstoff in Graphit - Nanoröhrchen

64 Flüssig-Wasserstofftank Aussentank: 50 m lang, 9 m Durchmesser, enthält ca 5 t flüssiges H 2 und 30 t flüssiges O 2

66 Neue Technologie für Raketenantrieb mit leichterem Treibstoff und grösserer Schubkraft: Gefrorene Wasserstoffkügelchen werden in flüssiges Helium suspendiert

67 Ende

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