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2025-06-18T14:50:36Z

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[[Datei:Gas Giant Interiors-de.png|mini|300px|Die vier [[Gasplanet]]en des Sonnensystems. Um den Kern wird jeweils metallischer Wasserstoff angenommen.]]

Als '''metallischer Wasserstoff''' wird eine [[Hochdruckmodifikation]] des [[Wasserstoff]]s bezeichnet. Seine Existenz wurde theoretisch vorhergesagt und ist bislang nur bei sehr hohen Drücken und Temperaturen nachgewiesen worden.

Es wird vermutet, dass metallischer Wasserstoff im Inneren von [[Gasplanet]]en wie [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] vorkommt. Er soll dabei – vermischt mit [[Helium]] – eine Schicht um den Kern unbekannter Zusammensetzung bilden; weiter außen soll dann ein Mantel aus molekularem Wasserstoff folgen.<ref>[[Fran Bagenal]], Timothy Edward Dowling, William B. McKinnon: ''Jupiter: the planet, satellites and magnetosphere.'' Band 1, Cambridge University Press, 2004, ISBN 978-0-521-81808-7.</ref>

== Grundlagen ==

Der [[Metalle|metallische]] Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweils äußersten [[Elektron]]en eines [[Chemisches Element|Elementes]] – das sind genau diejenigen, die auch für die [[chemische Bindung|chemischen Bindungen]] zuständig sind – sich im elementaren Zustand im [[Leitungsband]] befinden. Da es beim Wasserstoff – im Gegensatz zu allen anderen Elementen – nur ein einziges Elektron je [[Atom]] gibt, müsste der Einbau dieses Elektrons in das Leitungsband dazu führen, dass ein [[Metallische Bindung|Gitter]] aus [[Atomkern]]en ([[Proton]]en) entsteht mit einem Abstand voneinander, der aufgrund nicht vorhandener [[inneres Elektron|innerer Elektronen]] eventuell wesentlich kleiner ist als der [[Bohrscher Radius|Bohrsche Radius]], vergleichbar mit einer Elektronen-[[Wellenlänge]] (siehe auch [[Materiewelle]]).

== Hypothese ==

Obgleich das [[Periodensystem der Elemente]] von einer Spalte mit [[Alkalimetalle]]n angeführt wird, ist Wasserstoff unter gewöhnlichen Bedingungen selbst kein Alkalimetall. [[Eugene Wigner]] sagte jedoch 1935 die Möglichkeit voraus, dass sich die [[Wasserstoffatom]]e unter extremem Druck wie die restlichen Elemente der ersten [[Hauptgruppe]] verhielten und ihren alleinigen Besitz über ihre Elektronen aufgäben, d. h., die Elektronen würden sich im [[Leitungsband]] aufhalten und sich somit wie in einem metallischen [[Leiter (Physik)|Leiter]] verhalten.<ref>E. Wigner, H. B. Huntington: ''On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen.'' In: ''J. Chem. Phys.'' 1935, 3, S. 764–770, {{DOI|10.1063/1.1749590}}.</ref>

== Erforschung ==

Der erforderliche extrem hohe Druck machte eine experimentelle Bestätigung lange Zeit unmöglich. Im März 1996 berichteten erstmals S. T. Weir, A. C. Mitchell und W. J. Nellis vom [[Lawrence Livermore National Laboratory]], dass sie für ungefähr eine [[Mikrosekunde]] bei mehreren tausend [[Kelvin]] und Drücken von mehr als 10<sup>11</sup> [[Pascal (Einheit)|Pascal]] (d. h. 100 GPa oder einer Million [[Bar (Einheit)|Bar]]) metallischen Wasserstoff hergestellt hätten, identifizierbar durch eine starke Abnahme des [[Elektrischer Widerstand|elektrischen Widerstandes]]. Hiermit war eine sechzigjährige Suche erstmals erfolgreich. Sie benutzten dazu [[Stoßwelle]]n, die flüssigen Wasserstoff und [[Deuterium]] für kurze Zeit sehr stark verdichteten und dabei auch aufheizten. Gleichzeitig zeigte sich, dass die [[Elektrische Leitfähigkeit|Leitfähigkeit]] stark temperaturabhängig ist. Bei einer Temperatur von 3000 Kelvin beträgt der Übergangsdruck zur metallischen Phase etwa 140 GPa.<ref>S. T. Weir, A. C. Mitchell, W. J. Nellis: ''Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar).'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 1996, 76, S. 1860–1863, {{DOI|10.1103/PhysRevLett.76.1860}}.</ref>

Forscher vom [[Max-Planck-Institut für Chemie]] berichteten 2011, bei 25 °C und 2,2 Megabar (220 GPa) Druck Wasserstoff in einen [[Halbleiter]]<nowiki/>zustand und bei weiterer Drucksteigerung auf 2,7 Megabar in einen metallischen Zustand gebracht zu haben.<ref>Max-Planck-Institut für Chemie: ''[https://www.mpg.de/4652575/wasserstoff_metall Hoher Druck macht Wasserstoff metallisch.]'' 17. November 2011, abgerufen am 18. November 2011.</ref>

Da Wasserstoff bei niedrigeren Temperaturen nicht [[Dissoziation (Chemie)|dissoziiert]] vorliegt, ist es schwieriger, bei ihm eine [[Phasenumwandlung]] in eine metallische Modifikation zu erreichen und es bedarf deutlich höherer Drücke. Im Januar 2017 berichteten Ranga P. Dias und Isaac F. Silvera in der wissenschaftlichen Zeitschrift ''[[Science]]'',<ref>{{Literatur |Autor=Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera | Titel=Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen |Sammelwerk=[[Science]] |Datum=2017 |DOI=10.1126/science.aal1579}}</ref> bei Temperaturen von −268 °C (5 K) und 495 GPa metallischen Wasserstoff in einer [[Diamantstempelzelle|Diamantpresse]] durch die Zunahme der Reflexion der Probe nachgewiesen zu haben. Dabei verdunkelte sich die zuvor transparente Probe zunächst ab 335 GPa und reflektierte schließlich bei 495 GPa mehr als 90 % des einfallenden Lichts, was typisch für Metalle ist.<ref name="wdp">Welt der Physik: ''[https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2017/wenn-wasserstoff-zum-metall-wird/ Wenn Wasserstoff zum Metall wird.]'' 26. Januar 2017, abgerufen am 27. Januar 2017.</ref> Andere Wissenschaftler bezeichneten die publizierten Ergebnisse aber als nicht überzeugend. So wurde kritisiert, dass die veröffentlichten Ergebnisse auf einem einzigen Versuch beruhten; andere mögliche Ursachen für die Beobachtungen seien nicht ausreichend untersucht worden.<ref>Davide Castelvecchi. ''[https://www.nature.com/news/physicists-doubt-bold-report-of-metallic-hydrogen-1.21379 Physicists doubt bold report of metallic hydrogen]'', [[Nature]], 26. Januar 2017.</ref>

Liegt Wasserstoff dagegen in einem [[Rydberg-Zustand]] vor, so wird aufgrund der gemessenen [[Bindungslänge]] von 150 pm vermutet, dass keine [[Molekül]]e gebildet werden, sondern ein [[Metallische Bindung|Metallgitter]].<ref name="Badiei">Shahriar Badiei, Leif Holmlid: ''Experimental observation of an atomic hydrogen material with H–H bond distance of 150 pm suggesting metallic hydrogen.'' In: ''J. Phys. Condens. Matter.'' 2004, 16, S. 7017–7023, {{DOI|10.1088/0953-8984/16/39/034}}.</ref>

== Anwendungen ==

Metallischer Wasserstoff könnte auch ohne permanenten Druck und Tiefkühlung stabil bleiben. Damit wäre eine Verwendung als [[Supraleiter]] bei Raumtemperatur denkbar.<ref name="wdp" />

Eine Methode für die [[Kernfusion]] besteht darin, einen [[Laser]]strahl auf [[Pellets]] aus Wasserstoff-[[Isotop]]en zu richten. Das zunehmende Verständnis für das Verhalten von Wasserstoff unter extremen Bedingungen kann helfen, die Energieausbeute zu steigern.<ref>[[GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung]]: {{Webarchiv | url=http://www.gsi.de/portrait/Broschueren/Wunderland/09.html | wayback=20120311025357 | text=''Der andere Weg zur Kernfusion.''}}. 11. August 2003, abgerufen am 27. November 2009.</ref>

== Weblinks ==
* Franziska Konitzer: [https://www.spektrum.de/news/metallischer-wasserstoff-entsteht-bei-577-gigapascal/2120055 ''Das Unmögliche wird bei 577 Gigapascal möglich''] in [[Spektrum.de]] vom 14. März 2023

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elementmodifikation|Wasserstoff]]

Metallischer Wasserstoff - Versionsgeschichte

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