Was ist der Unterschied zwischen metallischem Wasserstoff und Wasserstoffplasma?

Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Elektronen in metallischem Wasserstoff fast vollständig entartet sind.

Entartete Elektronen können nicht dissipativ gestreut werden und führen zu den "metallischen" Eigenschaften extrem hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit.

Um zunächst metallischen Wasserstoff zu erzeugen muss man darauf achten, dass die kinetische Energie der Elektronen bei der Fermi-Energie des Systems viel größer ist als$kT$. Für ein reines Wasserstoffgas und nichtrelativistische Entartung führt dies zu

$$\left(\frac{3}{8\pi}\right)^{2/3} \frac{h^2 n_e^{2/3}}{2m_e} \gg kT$$

Dies bedeutet, dass entweder sehr hohe Elektronendichten oder niedrige Temperaturen erforderlich sind.

"Metallischer Wasserstoff" kann als Flüssigkeit oder als Feststoff vorliegen. In flüssigem metallischem Wasserstoff sind sowohl die Protonen als auch die Elektronen "frei". Um einen Festkörper herzustellen, muss das Verhältnis der Coulomb-Energie der Protonen viel größer sein als$kT$sodass sie zu einem kristallinen Gitter „einfrieren“. Dies wiederum ist eine Anforderung, die noch höhere Dichten oder noch niedrigere Temperaturen erfordert. Unter diesen Bedingungen sind die Elektronen also tatsächlich vollständig entartet,

Im metallischen Wasserstoff haben die Protonen relativ zueinander einen annähernd festen Ort – ein Gitter ist energetisch günstiger als ein randomisierter Zustand. Aus diesem Grund ist die Substanz kein Plasma - in einem Plasma fließen sowohl die positiven als auch die negativen Ladungen frei.

Metallischer Wasserstoff existiert nur bei sehr niedrigen Temperaturen und sehr hohen Drücken. Gemäß dem Phasendiagramm hier , Drücke über 2 Mbar, Temperaturen unter 100 K (beachten Sie die gepunktete Linie - dies ist ein sehr unscharfer Bereich des Phasendiagramms).