hydrogen

Forståelsen af hydrogens atomspektrum har været af afgørende betydning for fysikkens udvikling i 1900-tallet. Præcise målinger af hydrogenatomets spektrallinjer har især dannet grundlag for afprøvningen af nye fysiske teorier.

I slutningen af 1800-tallet blev det erkendt, at de indtil da observerede emissionslinjer i hydrogens spektrum kunne beskrives ved en simpel matematisk rækkefølge, benævnt Balmerserien. Bølgelængderne \(\lambda_k\) for de observerede linjer i Balmerserien kunne udtrykkes ved formlen: \(\frac{1}{\lambda_k}=R_H(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{k^2})\), hvor \(R_H\) er Rydbergs konstant (nu betegnet \(R_\infty\)), n = 2 og k er et positivt helt tal større end 2. Andre spektralserier svarer til andre positive heltalsværdier af n og altid således, at k gennemløber tallene fra n+1 og opefter. I 1908 observerede Friedrich Paschen (1865-1947) Paschen-serien for n = 3. Efter fremkomsten af Niels Bohrs kvanteteori for atomet i 1913, der kunne redegøre for Balmer- og Paschenserierne, blev også de øvrige serier observeret: n = 1-serien i 1914 af Theodore Lyman (1874-1954), n = 4-serien i 1922 af Frederick Summer Brackett (1865-1953), n = 5-serien i 1924 af August Hermann Pfund (1879-1949) og n = 6-serien i 1953 af C.J. Humphries.

Allerede i slutningen af 1800-tallet var det observeret, at hver af spektrallinjerne i Balmerserien bestod af to tætliggende linjer (finstruktur). På grundlag af en generalisering af Bohrs kvanteteori og under hensyntagen til elektronernes relativistiske masse kunne Arnold Sommerfeld i 1916 opstille en finstrukturformel, der fuldt ud kunne redegøre for positionerne af samtlige observerede spektrallinjer i hydrogens spektrum. Det var derimod ikke muligt at gøre rede for spektrallinjernes intensiteter, og det var først med indførelsen af spinkvantetallet s = ±¹/₂, at hydrogens finstruktur fandt sin endelige forklaring. De tætliggende spektrallinjer i hydrogens spektrum kunne nu forklares ved, at elektronernes totale impulsmoment omkring atomkernen ikke skulle udtrykkes ved det angulære kvantetal l, men ved det indre kvantetal j = l+s eller l-s.

Med opstillingen af Diracs relativistiske bølgeligning for elektronerne i 1928 antog mange spektroskopikere, at der var opnået en fuldstændig forklaring på hydrogens spektrum. Diracs ligning fastlagde blandt andet at energitilstande i hydrogenatomet, der var karakteriseret ved samme hovedkvantetal n og indre kvantetal j, havde samme energi. Målinger foretaget i 1938 af R.C. Williams på finstrukturen af den røde spektrallinje i Balmerserien ved 656,3 nm viste imidlertid en afvigelse fra Diracs teori, som dog ikke af alle blev accepteret som et fuldgyldigt bevis på en afvigelse mellem teori og eksperiment. Det var først med W.E. Lamb og R.C. Retherfords (1912-81) meget nøjagtige mikrobølgeeksperimenter i 1947, at der blev opnået et klart bevis på afvigelser fra Diracs teori. Opsplitningen mellem stationære tilstande med samme j benævnes Lamb-skiftet. Observationer af Lamb-skiftet førte hurtigt til udviklingen af en helt ny atomar teori, kvanteelektrodynamik, som der hidtil ikke er fundet eksperimentelle afvigelser fra.

Yderligere opsplitninger af energitilstandene i hydrogen er mulige som følge af elektronens vekselvirkning med atomkernens magnetiske dipolmoment (hyperfinstruktur) eller ved vekselvirkning med ydre elektriske (Stark-effekt) eller magnetiske felter (Zeeman-effekt). Meget nøjagtige målinger af hyperfinstruktur-opsplitningen af hydrogens grundtilstand førte således i 1947 Polykarp Kusch frem til en bestemmelse af elektronens magnetiske moment, som også afveg fra Diracs teori.

Efter laserens fremkomst har hydrogenatomet på ny tiltrukket sig stor opmærksomhed. Det er især de højt anslåede tilstande nær ioniseringsgrænsen (Rydberg-tilstande), der studeres under indflydelse af ydre elektriske eller magnetiske felter. Placeres et højt anslået hydrogenatom i et intenst ydre magnetfelt, udviser dets spektrum så stor mangel på regularitet, at det ikke længere er muligt at tilordne meningsfulde kvantetal til de individuelle kvantetilstande. Denne region af hydrogens spektrum betragtes som kaotisk. På trods af spektrets komplicerede natur har det dog været muligt at opnå fuld overensstemmelse med beregninger ned til mindste detalje. Se også atom.

Hydrogenmolekylet er det simpleste neutrale toatomige molekyle. Det består af to elektroner samt to kerner. Inden for studiet af molekylers fysik spiller hydrogenmolekylet samme rolle som heliumatomet inden for atomfysik. De elektroniske egenskaber af disse to-elektron-systemer udviser således en række lighedspunkter i såvel grundtilstanden som i de anslåede tilstande. Det gælder fx koblingen mellem elektronernes spin-angulære momenter, der bevirker, at det totale moment for grundtilstanden er S = 0 (singlet tilstand), mens det for anslåede tilstande kan antage værdierne S = 1 (triplet tilstande) og S = 0. Som i heliumatomet foregår de tilladte overgange i hydrogenmolekylet mellem tilstande med samme S-værdi.

Mens elektronernes bevægelse i et atom bestemmes af det sfærisk-symmetriske elektriske felt fra atomkernen, der i denne sammenhæng kan betragtes som punktformig, bestemmes elektronbevægelserne i hydrogenmolekylet af det cylinder-symmetriske felt fra de to kerner, som befinder sig i en indbyrdes afstand på 0,074 nm. Denne symmetriforskel bevirker, at de elektroniske tilstande i hydrogenmolekylet må karakteriseres i forhold til den internukleare akse mellem de to kerner. I grundtilstanden har hydrogenmolekylets elektronpar et totalt angulært moment på nul omkring den internukleare akse (udtrykkes ved symbolet Σ), mens anslåede tilstande også kan have angulære momenter på 1 (Π), 2 (Δ) osv.

Hydrogenmolekylets elektroniske tilstande karakteriseres ud over af det angulære moment tillige ved symmetrien af elektronernes bølgefunktioner. Symmetriegenskaberne afhænger af det elektriske felt, elektronerne bevæger sig i. I grundtilstanden forbliver bølgefunktionen uændret ved refleksion i en plan, der indeholder den internukleare akse, samt ved fortegnsskift af elektronernes koordinater (dvs. symmetri omkring molekylets massemidtpunkt). Grundtilstanden betegnes symbolsk med Σ⁺_g, hvor + angiver symmetrien i akseplanerne, og g (fra tysk gerade) symmetrien om massemidtpunktet (se også kemisk binding).

Ud over de nævnte anslåede energitilstande for elektronerne, som er af samme type som i hydrogenatomet og viser sig som båndspektre i det ultraviolette til det synlige spektralområde, forekommer i hydrogenmolekylet tillige energitilstande knyttet til molekylets vibrationer og rotationer. Anslåede energier for disse tilstande er dog væsentlig lavere. Vibrationsspektre forekommer i det infrarøde område, og rotationsspektre fra det fjerne infrarøde til mikrobølgeområdet. Se også molekylspektroskopi og rotationsspektrum.

Hydrogen udgør mere end 90 procent af atomerne i Universet, men kun en mindre del af Jordens atomer. Jordskorpen indeholder fx kun ca. 0,1 vægtprocent hydrogen. Atmosfærens indhold af hydrogen stiger fra 0,5 procent (vol.) ved jordoverfladen til 0,8 procent i 27 km højde, men aftager derefter opad på grund af tab til det ydre rum. Fri hydrogen kan findes i ringe mængde i vulkanske gasser. I øvrigt findes hydrogen især i kemiske forbindelser, først og fremmest vand, is, ammoniak, methan og andre kulbrinter og organiske forbindelser. Grundstoffet indgår i ca. ¹/₃ af alle kendte mineraler. OH^- findes fx i amfiboler og glimmermineraler, hvor det erstatter fluor i krystalstrukturerne. H₂O findes fx i kaolinit, hvor lagene i krystalstrukturen bindes sammen af vandmolekylernes dipolegenskaber. Oxoniumionen, H₃O⁺, erstatter kalium i glimmermineraler som fx illit.

De to stabile hydrogenisotoper, ¹H (protium) og ²H (deuterium), fraktioneres af fysisk-kemiske og biologiske processer, hvilket fx kan anvendes til at bestemme tidligere jordperioders klimaforhold, jævnfør iskerneboringerne i Grønland og Antarktis. Den radioaktive brintisotop ³H (tritium), dannes i den øvre atmosfære ved reaktion mellem nitrogen og kosmisk stråling. Nukleare prøvesprængninger i 1950'erne medførte en kraftig forhøjelse af atmosfærens indhold af ³H, som derefter er aftaget på grund af radioaktivt henfald (halveringstid 12,3 år). Denne mekanisme kan fx anvendes til at bestemme, hvornår en given forekomst af grundvand er blevet dannet.

Den første tekniske anvendelse af hydrogen var til fyldning af balloner (1783). Læs mere om fremstilling og anvendelse af hydrogen.

Hydrogenforbindelser er registreret for de fleste grundstoffer, der forefindes i vejelige mængder, undtagen for ædelgasserne (helium, neon, argon, krypton, xenon og radon).

Hydrogen anses for et af de brændstoffer, der mest sandsynligt vil erstatte de fossile brændstoffer, når disse er opbrugt, eller hvis man fx af miljømæssige grunde ikke længere vil bruge dem.

Carbon, oxygen og hydrogen er de vigtigste grundstoffer i de levende organismer.

• hydrogenforbindelser
• lagring af hydrogen
• hydrogens betydning i biologien
• hydrogen – teknisk fremstilling og anvendelse