超高压下凝聚气体的实验研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com地球科学进展学科发展与研究1990．№．3超高压下凝聚气体的实验研究进展及其意义侯渭谢鸿森(中国科学院地球化学研完所)●提要：凝聚气体的压缩实验研究是超高压领域中新开辟的前沿课题。谊文对葬研究现状厦算时于探讨地球和行星内部结构的意义作了简要介绍。关键词：凝聚气体超高压地球内部结构室温和常压条件下为气态的物质，在超高压下凝聚为液体或固体(统称凝聚态)．进行1巴(1'Mbar一10。Kbar)以上压力的凝聚气体的实验研究，了解这些物质在超高压下盼结构、相变及其它物性特征，确定它们的状态方程(P—V关系)，是当代物理学和物理化学的

2、前沿课题，也是探讨行星内部结构所必需的实验基础。近年来美国华盛顿卡内基研究所毛河光等人在有关方面做了大量开创性工作，获得了许多超高压下凝聚气体的特征资料。对于我们认识地球及行星内部结构很有借鉴意义一、超高压下凝聚气体实验方法的建立卡内基研究所的科学家们对金刚石压腔超高压装置进行了不断的改进，使腔体压力不断提高。目前最高压力已达到了5．5Mbar这已超过了地心压力(3．5Mbar)，而相当于木星幔的压力。他们使用红宝石萤光X射线法对腔体压力进行测量。为保证澳4量精度，在约1Mbar压力下，用固体Ne做为传压介质进行金属钨的压缩实验，所获得的钨的P—v关系与冲击实验的结果完全

3、一致，证明红宝石测压法对兆巴级压力澳4量是适合的。金刚石压腔的样品室很小(10112121。)．因而置入样品量极少，凝聚气体如H：、Ne、Ho等的原子量(或分子量)很小．所以对于普通x射线的散射非常弱，以至无法进行测量。为此科学家们设计并引进了同步辐射源装置。该装置能发射较强的X射线，线束宽约lOi．tm，能满足样品定位测量的要求。选用固体si(Li)或内部Ge探头和能量散射法进行凝聚气体的X射线衍射测量。此外，还配合红外拉曼光谱．布里渊散射等进行某些凝聚气体谳态方程的测定。二、超高压下氢的结构及谱学研究将装有氢的金刚石压腔放入付里叶转换红外装置(FTIR)中。在25℃下

4、进行了红宝石稿收日期：1989年l0月l2日一29---维普资讯http://www.cqvip.com萤光法压力测量。实验表明，2s-55Kbar压力下氢为液态，55-542khar下氢为固态．进行这两种压力范围下氢的FTIR测量获得了一系列红外谱图。将红外谱进行谱带归属，拟合出声子振动频率(∞。)与压力的关系式为：COD=125·OP。·0(Kbar)根据布里渊散射测量在压力为60kbar时获得氢的密度为p=0．2667~／cm。，导出密度与P的关系为：p(g／cm。)=O．4017+O．07562[p“。(Kbar)]。计算出Gruneison参数(f)做为压力的函

5、数为：Y=K／∞．—旦～dP●由于付里叶转换红外光谱技术的使甩，以及高压下诱发吸收带碰撞作甩强度的增加．使这种‘方法所获得的Y值精度很高。55Kar时，Y=1．16；约600Kbar，Y=0，7．此外，还计算出了固态氢的热容(Cv，Cp)与P的关系，热膨胀系数与P的关系等．使用同步辐射X射线衍射技术在室温和265Kbar压力下测定了固态氢的晶体结构和状态．方程。结果表明，265Kbar和室温下，固态氢为六方紧密堆积结构，随压力增加，结构各向异性增强．表l列出测量结果。裹154-265Kbar，300K下固体氢的墨括参数轴体积根据表l中P．V值所获得的P—V曲线比前人通过常

6、压下外推得出的，以及布里渊散射测量，推导出的P—V关系的精度都要高。目前．1Mbar以上压力下固态氢的结构及状态方程是由拉曼光谱获得的。拉曼光谱镬!l量表明，室温条件下压力直至1．47Mbar，H分子固体仍稳定存在。后在低温(77k)条件下，使压力增加至2Mbar进行氢的拉曼光谱测定发现当温度降至77k，压力增加至1．45Mbar范围内，固体氢的拉曼谱一直是连续的。但压力达到1．45Mbar时，谱图发生突变。原来的吸收峰强度下降，并出现另一个强度和频率均较低的宽吸收带。压力增至1．6Mbar，第一个峰完全消失，第二个峰随压力升高而增强。研究者们认为拉曼谱的这一突变是固态氢

7、在低温下进行高密度定向有序排列造成的。并推算出1．45Mbar时密度由0．0881g／cm。转变为0．769＆g／cm。，密度几乎增加近10倍。因此认为在1．45Mbar时，固态氢发生了相变。将压力继续。升高，在压腔中心压力达到2．48Mbar，其拉曼谱的振动频率降低至3738cm～。目前所观寨到拉曼谱的最低频率为3685cm一，其相应压力由外推法获得为2．5Mbar。研究者认为这个压力范围可能是固态氢由分子键向原子键转变的压力范围。三、超高压下水冰及固泰稀有气体的结构及物性测量压力范围为20Kbar一1Mbar下对水冰(H0