목성의 회전하는 구름 꼭대기 아래에는 동일한 원소인 수소가 매우 이상한 상태로 존재합니다. (저작권 이미지) Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto/NASA/SwRI/MSSS,
Paul Sutter는 오하이오 주립 대학교의 천체 물리학자이자 COIS 과학 센터의 수석 과학자입니다. Sutter는 또한 "Ask a Spaceman"과 "Space Radio"의 진행자이며 전 세계 우주 여행을 이끌고 있습니다. Sutter는 이 기사를 Space Expert Voices: Commentary and Insights에 기고했습니다.
견고합니다. 액체. 어서 해봐요. 우리의 평범한 일상에서 우리를 둘러싸고 있는 물질은 세 가지 깔끔한 진영으로 나뉜다. 고체 물(얼음이라고도 함)을 가열하면 특정 온도에 도달하면 액체로 변합니다. 계속 가열하면 결국 가스, 즉 수증기가 생성됩니다.
모든 요소와 분자에는 특정 온도와 압력을 가할 때 예상되는 상태에 대한 고유한 "상 다이어그램"이 있습니다. 이 그림은 정확한 원자/분자 배열과 다양한 조건에서 그것이 어떻게 상호작용하는지에 따라 달라지기 때문에 각 원소마다 고유합니다. 그래서 과학자들은 힘든 실험과 세심한 이론을 통해 이 그림을 그려냅니다. [2017년 가장 이상한 우주 이야기]
수소라고 하면, 산소와 혼합되어 더 친숙한 물을 형성하지 않는 한 우리는 일반적으로 전혀 접하지 않습니다. 우리가 그것을 고독하게 가져가더라도 그 수줍음 때문에 우리와만 상호 작용할 수 없습니다. 그것은 거의 항상 가스처럼 이원자 분자로 쌍을 이룹니다. 일부를 병에 넣고 온도를 33켈빈(화씨 영하 400도 또는 섭씨 영하 240도)으로 낮추면 수소는 액체가 되고, 14K(화씨 영하 434도 또는 섭씨 영하 259도)에서는 수소가 단단해집니다.
온도 척도의 반대쪽 끝에서는 수소의 열이 계속 뜨겁게 유지될 것이라고 생각할 것입니다. 스트레스가 낮게 유지되는 한 이것은 사실입니다. 그러나 고온과 고압의 조합으로 인해 몇 가지 흥미로운 동작이 발생합니다.
목성 심층 다이빙
우리가 본 것처럼 지구상에서 수소의 행동은 간단합니다. 그러나 목성은 지구가 아니며, 목성 대기의 큰 띠와 소용돌이치는 폭풍 안팎에서 발견되는 막대한 양의 수소는 정상적인 한계를 넘어설 수 있습니다.
목성의 눈에 보이는 표면 아래 깊숙이 묻혀 있으면 압력과 온도가 극적으로 상승하고 기체 수소가 초임계 기체-액체 혼합물 층으로 천천히 대체됩니다. 이러한 극단적인 조건으로 인해 수소는 인식 가능한 상태로 안정화될 수 없습니다. 액체로 남아 있기에는 너무 뜨겁지만 가스처럼 자유롭게 떠다니기에는 너무 압력이 가해져 새로운 물질 상태입니다.
깊이 내려갈수록 낯설어진다.
구름 꼭대기 아래 혼합 상태의 얇은 층에서도 수소는 여전히 2대1 이원자 분자로 튀어 오릅니다. 그러나 압력이 충분히 가해지면(예를 들어 해수면에서 지구 대기압보다 백만 배 더 높은) 형제 간의 유대조차도 압도적인 압박에 저항할 만큼 강하지 못하고 끊어집니다.
구름 꼭대기에서 약 13,000km 아래에 있는 결과는 유리 수소 핵(단 하나의 양성자)과 방출된 전자가 혼합된 혼란스러운 혼합물입니다. 물질은 액상으로 환원되지만, 수소 성분은 이제 완전히 분해됩니다. 매우 높은 온도와 낮은 압력에서 이런 일이 발생하면 우리는 이를 플라즈마라고 부릅니다. 이는 태양이나 번개의 대부분을 구성하는 것과 동일한 물질입니다.
그러나 목성 내부 깊은 곳에서는 압력으로 인해 수소가 플라즈마와 매우 다르게 행동하게 됩니다. 대신 금속과 더 유사한 특성을 가지고 있습니다. 따라서 액체 금속 수소. 즉, 금속
주기율표에 있는 대부분의 원소는 금속입니다. 금속은 단단하고 빛나기 때문에 좋은 전기 전도체입니다. 요소는 실온 및 압력에서의 배열에서 이러한 특성을 얻습니다. 즉, 연결되어 결정 격자를 형성하고 각 요소는 하나 이상의 전자를 커뮤니티 탱크에 기부합니다. 이렇게 해리된 전자는 원자에서 원자로 마음대로 점프하면서 자유롭게 돌아다닙니다.
금 조각을 녹여도 여전히 금속의 모든 전자적 장점(경도 제외)을 그대로 갖고 있으므로 '액체 금속'은 완전히 낯선 개념은 아닙니다.
탄소와 같이 일반적으로 금속이 아닌 일부 원소는 특정 배열이나 조건에서 이러한 특성을 가질 수 있습니다.
따라서 언뜻 보기에 '금속 수소'는 이상한 개념이 아닙니다. 이는 단지 고온 및 고압에서 금속처럼 거동하기 시작하는 비금속 원소일 뿐입니다. [실험실에서 만든 '금속 수소'가 로켓 연료에 혁명을 일으킬 수 있다] 한 번 분해되면 항상 분해됩니다.
무슨 소란이냐
소란은 금속 수소가 전형적인 금속이 아니라는 것입니다. 다양한 금속에는 자유롭게 떠다니는 전자의 바다에 특별한 이온 격자가 내장되어 있습니다. 그러나 벗겨진 수소 원자는 단지 양성자일 뿐이며 양성자는 결정 격자를 만드는 데 아무 것도 할 수 없습니다.
금속 막대를 쥐면 상호 연결된 이온이 서로 더 가깝게 결합되도록 강제하는 것인데, 이는 매우 싫어합니다. 정전기 반발력은 금속에 필요한 모든 지원을 제공합니다. 그런데 양성자가 액체에 떠있다고? 찌그러지기가 더 쉬울 것입니다. 목성 내부의 액체 금속 수소는 어떻게 목성 위 대기의 무거운 압력을 견딜 수 있습니까? ”
답은 극한 조건에서 물질의 양자 역학적 특성인 퇴화 압력입니다. 연구자들은 백색 왜성과 중성자 별과 같은 이국적인 초밀도 환경에서만 발견이 가능할 수 있다고 믿습니다. 하지만 우리의 태양열 뒷마당이 이에 대한 예라는 것이 밝혀졌습니다. 전자기력이 무시되는 경우에도 전자와 같은 동일한 입자는 서로 단단히 압착될 수 있습니다. 즉, 동일한 입자를 공유하기를 거부합니다.
, 전자는 결코 동일한 에너지 수준을 공유하지 않습니다. 즉, 전자는 끊임없이 서로 쌓이고 가까워지지 않을 것입니다. 정말 세게 쥐어짜더라도
이를 살펴보는 또 다른 방법은 다음과 같습니다. 하이젠베르그의 불확정성 원리: 전자를 밀어서 위치를 결정하려고 하면 전자의 속도가 너무 커져서 더 이상 압박되지 않는 압력이 생성됩니다.
목성의 내부는 정말 이상합니다. - 태양보다 높은 온도로 가열된 양성자와 전자 수프. 표면 온도가 높고 지구보다 백만 배 더 강한 압력을 받으며 진정한 양자 특성이 드러납니다.
"세계에서 금속성 수소란 무엇입니까?" 에피소드를 들어보세요. Ask A Spaceman 팟캐스트는 iTunes와 askaspaceman 웹사이트에서 볼 수 있습니다. Tom S., @Upguntha, Andres C. 및 Colin E.에게 감사드립니다. Twitter에서 AskASpaceman으로 질문하거나 Twitter에서 Paul을 팔로우하세요. @PaulMattSutter Facebook/PaulMattSutter
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