氫， 原子序數1， 宇宙中最豐富的元素 。 氫有7種同位素， 最常見的同位素不攜帶中子， 只有一個質子 。 氫是結構上最簡單的原子， 大部分量子力學的教科書中都有關于氫原子的介紹， 因為它的薛定諤方程可以嚴格求解 。

【氫元素：新能源技術革命的希望？】碳水化合物含有氫， 所以氫在我們的日常生活中無處不在 。 氫與氧、氮等元素可以形成氫鍵， 它與離子性結合和共價鍵不同 。 離子性結合形成的離子晶體中， 結合的單位為失去電子或者獲得電子的原子（正、負離子）而不是原子本身；正負離子相間排列， 靠庫倫作用構成固體 。 共價鍵中， 兩個原子共享一個電子， 這兩個電子的波函數交疊 。 而氫鍵中， 既有庫倫作用力， 又有部分共價鍵的作用 。 氫鍵不僅能在分子內形成， 還能在分子間形成 。 例如， 水分子間的主要結合力就是氫鍵 。 氫鍵的結構靈活， 鍵長鍵角都是可以變化的， 如果具備氫鍵形成的條件， 固液氣中都會盡可能多地形成氫鍵 。 盡管氫原子本身量子力學可解、氫鍵的概念已被提出了超過100年， 如今關于理解氫鍵的科研工作還在繼續 。
兩個氫可以組成雙原子分子H2， 它室溫下以氣態形式存在， 因此稱為氫氣 。 氫分子由共價鍵組成， 共價鍵的現代理論開始于對氫分子的量子力學研究 。 氫氣是一種清潔能源， 它與氧氣結合可以放出大量熱量 。 同等質量下， 氫氣燃燒放出的熱量是煤炭的四倍以上， 并且它的反應產物是水， 對環境無害 。 氫氣可以來自天然氣的裂解或者直接由水的電解產生 。 如何高效利用太陽能和催化劑將水分解為氫氣和氧氣是一個重要的前沿研究課題 。 同等質量的氫比煤炭燃燒時放出的能量多， 可是常溫時氫是氣體， 同等體積下的氫氣存儲能量的能力遠低于碳， 另外， 氫氣在空氣中可能爆炸， 所以如何安全高效地存儲氫氣也是一個重要的問題 。 高效存儲的方法之一是利用能吸附氫氣的材料， 稱為儲氫材料 。 早期的儲氫材料能存氫到大氣中氫氣密度的千倍， 現在儲氫材料的種類越來越多， 實用存儲效率也越來越高 。 美國能源部關于儲氫電池的一個目標是， 在空間、價格、安全等方面能與現有市場競爭的情況下， 單次存儲能量滿足500公里以上的汽車行駛需要 。
存儲氫氣的另一個有效方法是低溫環境 。 液體H2稱為液氫， 它的沸點離絕對零度只有20開爾文；H2固體的熔點離絕對零度只有14開爾文， 是常壓條件下熔點最低的固體 。 比氫氣還難固化的物質是氦， 它只有在遠高于大氣壓和更低的溫度下才能成為固體 。 考慮到液體和氣體之間的密度差別， 單位體積的液氫儲能能力遠高于單位體積的氫氣儲能能力 。 對液體加壓可以進一步增加密度， 以增加儲能能力 。 液氫加上液氧可以作為火箭的燃料 。 當作為火箭燃料時， 除了考慮單位體積下的儲能能力之外， 更重要的是單位質量下的儲能能力 。 儲氫材料中一定存在非氫元素， 它們無法轉換為能量， 因此， 液氫比儲氫材料更適合火箭 。 因為液氫溫度下只有氦氣能維持氣態， 高壓氦氣是一個合適的壓力源以擠壓液氫到需要的位置 。 液氫的存儲比常規液體復雜得多 。 當兩個氫原子結合成氫分子時， 如果考慮上自旋， 有兩種可能的量子態， 稱為正氫和仲氫 。 常溫下， 這兩種量子態都是允許的， 而極低溫時， 液氫會盡量轉化為能量較低的一種量子態 。 量子態間轉化會發出熱量， 因此液氫會吸收熱量而氣化 。 如果未讓氫分子充分轉化為低能量子態便直接降溫到液氫溫度， 常壓條件下將液氫擱置一段時間后， 這個轉化產生的熱量足以讓一半的液氫又重新變為氫氣 。

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