作者：鎖相（科研工作者，凝聚態(tài)物理學(xué)博士。）

氫，原子序數(shù)1，宇宙中最豐富的元素。氫有7種同位素，最常見(jiàn)的同位素不攜帶中子，只有一個(gè)質(zhì)子。氫是結(jié)構(gòu)上最簡(jiǎn)單的原子，大部分量子力學(xué)的教科書(shū)中都有關(guān)于氫原子的介紹，因?yàn)樗难Χㄖ@方程可以嚴(yán)格求解。

法國(guó)在穆魯羅阿測(cè)試核彈時(shí)的情景 來(lái)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(wú)處不在。氫與氧、氮等元素可以形成氫鍵，它與離子性結(jié)合和共價(jià)鍵不同。離子性結(jié)合形成的離子晶體中，結(jié)合的單位為失去電子或者獲得電子的原子（正、負(fù)離子）而不是原子本身；正負(fù)離子相間排列，靠庫(kù)倫作用構(gòu)成固體。共價(jià)鍵中，兩個(gè)原子共享一個(gè)電子，這兩個(gè)電子的波函數(shù)交疊。而氫鍵中，既有庫(kù)倫作用力，又有部分共價(jià)鍵的作用。氫鍵不僅能在分子內(nèi)形成，還能在分子間形成。例如，水分子間的主要結(jié)合力就是氫鍵。氫鍵的結(jié)構(gòu)靈活，鍵長(zhǎng)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(huì)盡可能多地形成氫鍵。盡管氫原子本身量子力學(xué)可解、氫鍵的概念已被提出了超過(guò)100年，如今關(guān)于理解氫鍵的科研工作還在繼續(xù)。

兩個(gè)氫可以組成雙原子分子H2，它室溫下以氣態(tài)形式存在，因此稱(chēng)為氫氣。氫分子由共價(jià)鍵組成，共價(jià)鍵的現(xiàn)代理論開(kāi)始于對(duì)氫分子的量子力學(xué)研究。氫氣是一種清潔能源，它與氧氣結(jié)合可以放出大量熱量。同等質(zhì)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(yīng)產(chǎn)物是水，對(duì)環(huán)境無(wú)害。氫氣可以來(lái)自天然氣的裂解或者直接由水的電解產(chǎn)生。如何高效利用太陽(yáng)能和催化劑將水分解為氫氣和氧氣是一個(gè)重要的前沿研究課題。同等質(zhì)量的氫比煤炭燃燒時(shí)放出的能量多，可是常溫時(shí)氫是氣體，同等體積下的氫氣存儲(chǔ)能量的能力遠(yuǎn)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(chǔ)氫氣也是一個(gè)重要的問(wèn)題。高效存儲(chǔ)的方法之一是利用能吸附氫氣的材料，稱(chēng)為儲(chǔ)氫材料。早期的儲(chǔ)氫材料能存氫到大氣中氫氣密度的千倍，現(xiàn)在儲(chǔ)氫材料的種類(lèi)越來(lái)越多，實(shí)用存儲(chǔ)效率也越來(lái)越高。美國(guó)能源部關(guān)于儲(chǔ)氫電池的一個(gè)目標(biāo)是，在空間、價(jià)格、安全等方面能與現(xiàn)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的情況下，單次存儲(chǔ)能量滿(mǎn)足500公里以上的汽車(chē)行駛需要。

存儲(chǔ)氫氣的另一個(gè)有效方法是低溫環(huán)境。液體H2稱(chēng)為液氫，它的沸點(diǎn)離絕對(duì)零度只有20開(kāi)爾文；H2固體的熔點(diǎn)離絕對(duì)零度只有14開(kāi)爾文，是常壓條件下熔點(diǎn)最低的固體。比氫氣還難固化的物質(zhì)是氦，它只有在遠(yuǎn)高于大氣壓和更低的溫度下才能成為固體?？紤]到液體和氣體之間的密度差別，單位體積的液氫儲(chǔ)能能力遠(yuǎn)高于單位體積的氫氣儲(chǔ)能能力。對(duì)液體加壓可以進(jìn)一步增加密度，以增加儲(chǔ)能能力。液氫加上液氧可以作為火箭的燃料。當(dāng)作為火箭燃料時(shí)，除了考慮單位體積下的儲(chǔ)能能力之外，更重要的是單位質(zhì)量下的儲(chǔ)能能力。儲(chǔ)氫材料中一定存在非氫元素，它們無(wú)法轉(zhuǎn)換為能量，因此，液氫比儲(chǔ)氫材料更適合火箭。因?yàn)橐簹錅囟认轮挥泻饽芫S持氣態(tài)，高壓氦氣是一個(gè)合適的壓力源以擠壓液氫到需要的位置。液氫的存儲(chǔ)比常規(guī)液體復(fù)雜得多。當(dāng)兩個(gè)氫原子結(jié)合成氫分子時(shí)，如果考慮上自旋，有兩種可能的量子態(tài)，稱(chēng)為正氫和仲氫。常溫下，這兩種量子態(tài)都是允許的，而極低溫時(shí)，液氫會(huì)盡量轉(zhuǎn)化為能量較低的一種量子態(tài)。量子態(tài)間轉(zhuǎn)化會(huì)發(fā)出熱量，因此液氫會(huì)吸收熱量而氣化。如果未讓氫分子充分轉(zhuǎn)化為低能量子態(tài)便直接降溫到液氫溫度，常壓條件下將液氫擱置一段時(shí)間后，這個(gè)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量足以讓一半的液氫又重新變?yōu)闅錃狻?/p>

從能源角度，核聚變才是氫最重要的舞臺(tái)。所謂核聚變，指的是兩個(gè)較輕的核結(jié)合為較重的核，這個(gè)過(guò)程可能產(chǎn)生其他粒子和大量的能量，也稱(chēng)為輕核聚變。地球上的能量大部分來(lái)自太陽(yáng)，而太陽(yáng)的能量主要來(lái)自氫的核聚變。如果在比太陽(yáng)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(shí)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，它就是氫彈（與輕核聚變對(duì)應(yīng)的名詞是重核裂變，它對(duì)應(yīng)的軍事應(yīng)用是原子彈）。攜帶1個(gè)中子的氫同位素稱(chēng)為氘，它在自然界中也穩(wěn)定存在。氘可以參與聚變，兩個(gè)氘聚變可以產(chǎn)生一個(gè)氦3（3He，氦的一種穩(wěn)定同位素）和一個(gè)中子；也可以產(chǎn)生一個(gè)氚（氫的另一種同位素，攜帶兩個(gè)中子，不穩(wěn)定，半衰期12.4年）和一個(gè)質(zhì)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(yùn)輸和存儲(chǔ)更方便，當(dāng)氫彈的“引信”原子彈爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量中子，中子、氘、氚和鋰之間有多種聚變方式，可以產(chǎn)生大量能量。氫彈的外殼還可以采用鈾，讓聚變產(chǎn)生的中子進(jìn)一步產(chǎn)生重核裂變。

和平利用可控裂變的核電站已經(jīng)出現(xiàn)很久了，而可控核聚變的技術(shù)卻一直未能實(shí)現(xiàn)。在較容易出現(xiàn)的聚變反應(yīng)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(chǔ)，3He難以獲得；相比而言，氘很容易得到，大約每8,000個(gè)氫原子中有一個(gè)氘原子。氫原子大量存在于海水中，因此，通過(guò)氘的可控核聚變提供能源幾乎不存在原料供應(yīng)問(wèn)題，以現(xiàn)在人類(lèi)消耗能源的速度幾乎可以算是取之不盡的。相比起來(lái)，人類(lèi)現(xiàn)有的各種能源來(lái)源均有不足之處：煤和石油等化學(xué)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(fēng)電和太陽(yáng)能等可再生能源在單位時(shí)間內(nèi)能提供的能量有限。如果能源不是問(wèn)題，人類(lèi)社會(huì)的很多生活習(xí)慣將可以輕松地被改變。例如，耗能大的個(gè)人飛行器將能普及，城市內(nèi)交通不再局限于路面，而是可以實(shí)現(xiàn)多層次的立體交通；可以調(diào)節(jié)整個(gè)城市的溫度，減少?lài)?yán)寒和酷熱天氣。如果能源不是問(wèn)題，從技術(shù)層面，一個(gè)全新的能源技術(shù)革命馬上就會(huì)到來(lái)；從物理層面，人類(lèi)也將能開(kāi)展更高能量尺度的實(shí)驗(yàn)，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(gè)顯而易見(jiàn)的難度就在于聚變發(fā)生時(shí)的溫度，如果你還意識(shí)到太陽(yáng)的能量來(lái)自聚變的話。氘氘聚變的臨界溫度在1億開(kāi)爾文的數(shù)量級(jí)，在這個(gè)溫度下，不再有固體、液體、氣體，物質(zhì)都以等離子體形式存在，此時(shí)的電子與正離子并存。換句話說(shuō)，任何常規(guī)意義上的容器都無(wú)法容納這個(gè)溫度下的核聚變反應(yīng)。另外，等離子體還需要有足夠高的密度，否則如果核聚變產(chǎn)生的能量小于維持等離子體存在的能量，聚變將無(wú)法輸出能量。太陽(yáng)之所以可以發(fā)生核聚變，是因?yàn)樗薮筚|(zhì)量所產(chǎn)生的引力約束了等離子體，這樣的約束稱(chēng)為慣性約束?？煽睾司圩兊姆桨钢?，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(jí)）的聚變材料局域在小空間內(nèi)加壓加溫。也有的方案用強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體：帶電離子在磁場(chǎng)下可以做閉合回路運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)空間局域，這套方案有時(shí)也稱(chēng)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(chēng)為冷核聚變。不管哪一套方案，實(shí)現(xiàn)它們所需要的技術(shù)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(guó)家持續(xù)斥巨資開(kāi)展相關(guān)研究，目前世界上還沒(méi)有可民用的核聚變技術(shù)。

氫，原子序數(shù)1，它是人類(lèi)社會(huì)的能源基礎(chǔ)，它承載了新能源技術(shù)革命的希望。