說說氫這個“小個子”

馮大誠

我首次知道氫氣是小時候逢年過節看到人們拿著的氫氣球，如果沒拉住拴著氣球的那根線，氣球就會飄到空中。而且氣球很容易漏氣，口子扎得再緊也沒用。不過，我那時認為氣球里裝著的是“輕氣”，讀書以后才知道那應當寫作“氫氣”。我相信，在這個問題上，大多數人的經歷應當與我相似。

氫氣原來是“輕氣”

氫氣球的上升和容易漏氣都與氫氣的結構有關。氫氣分子是由兩個氫原子構成的，而氫原子是最小最“輕”的原子，氫分子也是最小的雙原子分子。氫氣比空氣輕得多，所以氫氣球能夠上升；又由于氫分子很小，所以能夠慢慢地透過被吹得很薄的乳膠氣球壁，造成氫氣球比一般的氣球更容易“漏氣”。

現在，氫氣球很少有了，而代之以氦氣，因為氫氣一遇到火星很容易爆炸。前幾年有企業用氫氣球做廣告宣傳就引起過爆炸。危害非常嚴重的日本福島核電站事故中，也有氫氣爆炸所造成的危害。

氫是人體最主要的組成部分之一，從原子個數來說，人體中最多的原子就是氫原子。有人統計過，按原子個數來數，人體內排在前六位的化學元素是氫、氧、碳、氮、鈣和磷，它們之間的原子個數比例是375∶132∶85.7∶6.4∶1.5∶1，剩下的硫、鈉、鉀、氯、鎂、硅、鐵等元素加起來不到0.8。也就是說，氫原子的數量占了人體原子總數的62%，是其他原子總和的1.6倍還多。

氫也是地殼中最主要的元素之一，從質量的比例來說，氫在所有的元素中排名第10。按地表1千米深淺的范圍來說，氫原子的質量占總質量的1%，但是，按原子個數來說，卻占全部總數的15.4%。因為氫這個“小個子”雖然不壓秤，數量卻多。

氫元素在已知的宇宙物質中，無論從質量還是原子數量上說，毫無疑問都是占絕對第一的。從太陽的化學組成來看，氫元素的質量就占了75%，剩下的幾乎都是氦，而氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質量加起來不到2%。

氫氣與氧氣反應能夠生成水，這是氫氣最重要的反應。所以，氫氣在西方各國的語言（比如英語hydrogen）中都是從“水的生成者”派生出來的。它的化學符號H就來源于此。漢語最早根據它的物理性質翻譯成“輕氣”，后來又特意造了一個漢字“氫”。

氫氣與氧氣反應生成水的時候，能夠放出大量的熱，在通常情況下，燃燒1克氫氣，能夠放出約34千卡的熱量。做一個比較，燃燒1克純碳，只能得到不到8千卡的熱量，燃燒1克汽油或煤油也大約只有11千卡。也就是說，攜帶相同重量的燃料，氫氣放出的熱量幾乎是汽油或煤油的3倍，純碳的4倍多。所以說，氫是非常高效的化學能源。在液態火箭燃料中，液態氫就是最好的一種。

氫能的利用

氫氣燃燒放出這么多熱量，生成的產物又是水，幾乎沒有污染，所以，氫氣作為燃料是非常理想的。于是，就有人說，想辦法把水分解成氫氣和氧氣，然后讓氫氣在氧氣中燃燒放出熱量，就相當于把水當作燃料了，豈不是天大的好事？但是，仔細一想，氫氣和氧氣燃燒為什么會放出熱量？那是氫原子與氧原子結合成鍵，要放出熱量。那么，與這個過程相反，把水分子分解成氫原子和氧原子，就需要把氫原子與氧原子之間的鍵拉斷，卻是需要能量的。拉斷H-O鍵需要大約110千卡/摩爾能量，結合起來又放出110千卡/摩爾能量，我們哪里有多余的能量可以利用呢？這樣簡單的道理，凡是學習過一點化學的人都會知道的。了解這樣的道理，就不會給那些聲稱可以“水變油”的騙子以可乘之機。

既然水解離成氫氣和氧氣所需要的能量與氫氣和氧氣化合所放出的能量一樣，那么是不是水解離出的氫氣就不能作為能源使用了呢？當然不是。比如，火力發電需要能量，這種能量可以來自燃煤、燃油或燃氣，盡管發電所需要的能量比電所能做的功還要大，但電仍然可以作為能源使用。因為二者不是在同一個地方，發電是在發電廠，而用電則可以隨時隨地，圖的是方便。這樣的能源稱為二次能源。與發電一樣的道理，我們解離水需要能量，但是，解離得到的氫氣我們可以在需要的地方使用。比如氫能汽車在城市街道運行，就不產生污染。又如火箭燃料使用液態氫，有極高的能量密度，圖的是高效。如今更接近百姓生活、用途更廣的是氫能源汽車。在這個意義上，氫能也是一種重要的和優良的二次能源。當然，我們得到氫氣不一定要通過電解水，用煤或石油等礦石原料來制取氫氣是我國制氫的主要方法。

氫氣作為能源雖然很好，但問題是不容易儲存和攜帶。氫氣在常溫下是氣態，常壓下要到-183℃時才能夠液化。如果儲存和運輸過程都用氣態，那么它的體積就會很大。如果把氫氣加壓，放在鋼瓶里，那也需要很厚的鋼瓶，重量很大。而且，前面說過，氫氣分子非常微小，很容易泄漏，泄漏出來就容易爆炸，這是很大的麻煩。如果儲存和運輸的是液態氫，那么又要隨時帶著冷卻設備。這些方法都不便于氫能用于普通交通工具。

然而，氫原子“個子小”有一個特別的好處，那就是可以鉆到某些金屬或合金的晶格之中去。我們知道，金屬在一般情況下都是晶體，一個又一個金屬原子緊緊地挨在一起，形成金屬的晶格。要知道，相對于氫原子，金屬原子堪稱“大個子”，挨得再緊，原子之間仍然有空隙，而“小個子”的氫原子就可以鉆到這些空隙里去。這個過程，我們稱為氫被金屬吸附。這種吸附可以形成金屬與氫原子之間的化學鍵，也就是說，可以形成金屬的氫化物。這樣，氫原子就不容易“亂跑”了。但是，這種金屬氫化物并不牢固，在一定的條件下，它能夠釋放出氫原子，兩個氫原子又結合成氫分子。這樣，這種金屬就可以用來儲存氫氣，我們把這樣的金屬稱為儲氫金屬。

儲氫金屬一般都是合金，它們能夠儲存比自身體積大1000多倍的氫氣，從而可以在汽車這樣的交通工具上實際使用。在儲存氫氣的問題上，產生困難的原因之一是氫原子很小，但是，用合金來儲氫的原理，也是因為氫原子很小。

“小個子”引起的大革命

我們知道，各元素有它們自己的特征光譜線，可以用這些光譜線來識別所對應的化學元素。19世紀末到20世紀初，人們陸續發現了氫原子光譜的6個譜系，也就是氫原子所發出光的若干特定頻率。據此，就可以判定發光物質中氫原子的存在。

同時，人們發現發光物質中某種原子的濃度與它們的譜線的強度相關。也就是說，發光物質中某一種元素越多，它的特征譜線就越強。這樣，人們就可以估計出在發光物質中各種化學元素量的相對比例。

人們還要問，為什么原子會發出這些特定頻率的光線呢？為什么氫原子會發出這6個譜系的特定頻率的光呢？這在20世紀初確實是一個大問題。當時人們發現了元素周期表，那是按照原子量的相對大小來排列的，但是，為什么按照原子量大小排列的元素能夠顯示出元素性質的周期性，人們也不清楚。因為當時人們還不清楚原子到底是什么，不知道它們的組成，更不知道它們的結構。人們只知道氫原子是最輕的從而也可能是最簡單的原子，這樣，解開原子結構的秘密當然就要從氫原子開始。

1897年，英國物理學家湯姆孫發現了電子，所有原子中都有這種帶負電荷的成分。既然原子中有帶負電荷的電子，那也一定有帶有正電荷的物質，這樣原子才可能呈電中性。1911年英國物理學家盧瑟福發現，帶有正電荷的物質比原子小得多，但卻占了絕大部分的質量。他提出一個類似太陽系那樣的原子模型，即帶正電荷的原子核處在原子的中心，帶負電荷的電子像地球繞太陽旋轉那樣圍繞原子核運動。但是，這樣的模型顯然是不符合已知的物理學理論的。如果氫原子有一個電子繞著帶正電荷的原子核運動，它必定會發出電磁波，這種能量的損耗將使電子離原子核越來越近，很快就會撞到原子核上，因而這樣的原子不可能穩定存在。

1913年，28歲的丹麥天才物理學家玻爾把普朗克和愛因斯坦關于量子的新假設用到盧瑟福的類太陽系原子模型上，成功地解釋了氫原子的光譜。他提出，氫原子核外的電子只能在某些特定的軌道上運動，這時電子既不發射也不吸收能量。當電子恰好吸收一定頻率的電磁波時（光波就是一種電磁波，而且根據愛因斯坦的理論，一定頻率的波就具有一定的能量），能夠從靠近原子核的軌道“躍遷”到較遠的軌道上去。當電子從離原子核較遠的軌道“躍遷”到較近的軌道時，就會發射出一定頻率的電磁波。這樣的假設當然是革命性的，它不符合傳統的力學和電磁學。

由于玻爾提出的這些電子運動的軌道之間的能量差是不連續的，也就是所謂量子化的（這里量子化的意思是一份一份的，像數學上從0一下子跳到1或者2，而不是從0一點一點地變到1或2），這樣的結果就與光譜上分立而不連續的譜線對上了。但是，玻爾的量子化的原子模型在解釋氦原子光譜的時候就失敗了。因為他假設的原子軌道還是在宏觀中常見的用確定位置和動量來說明的。實際上，在原子這種微觀體系中，電子的位置已經不是用來描述體系狀態的合適的物理量，這是微觀體系與宏觀體系的最大差別之一。

1925～1927年間，人們終于找到了微觀粒子所服從的運動規律，這就是量子力學。就像宏觀世界的物體運動要符合牛頓定律所確定的運動方程一樣，微觀粒子也服從它所適合的方程，這就是薛定諤方程。氫原子體系的薛定諤方程能夠嚴格的解出，得到描述氫原子運動的狀態，也就是氫原子的波函數。對于多電子原子，如果忽略電子與電子之間的相互作用，就可粗略地認為這些電子處于類似于氫原子那樣的原子軌道中，人們就能夠用各種近似計算方法，得到這些原子的足夠精確的波函數，從而解釋清楚它們的原子光譜以及其他種種的物理及化學性質。人們也知道了，化學元素的各種性質，正是各原子中電子所處的狀態所決定的，從而就能夠更加深刻地理解元素周期表以及由此表達的化學元素性質的周期性規律。

玻爾的原子模型只經過十幾年光景，就被更符合實際情況的量子力學模型所取代。人們把玻爾的原子模型稱為“舊量子論”模型。實際上，根據量子力學，人們不可能知道在某一時刻電子在什么確切位置。人們根據波函數只能知道在該時刻電子出現在某處的概率。因此，用量子力學方法所確定的所謂原子軌道僅僅是沿用了“舊量子論”中的術語罷了。

現在我們知道，量子力學是人類在20世紀所取得的最偉大的科學進展，量子力學的概念以及以此為理論基礎發展出來的技術革新使得20世紀所取得的科技成就超過了有史以來人類科技成就的總和。這場偉大革命的起始之一，就是研究和解釋氫原子這個“小個子”的性質。