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水义氢水科普氢原子
科普中国 | 本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核
审阅专家 杜强
氢原子即氢元素的原子。氢原子模型是电中性的，原子含有一个正价的质子与一个负价的电子，他们被库仑定律束缚于原子内。氢只有三种同位素：氕(P)原子核内有1个质子，无中子，丰度为99.98%；氘(D)（又叫重氢） ，原子核内有1个质子，1个中子，丰度0.016%；氚(T)（又叫超重氢），原子核内有1个质子，2个中子，丰度0.004%。
中文名
氢原子
外文名
hydrogen atom
原子量
1.007 84; 1.008 11
含义
氢元素的原子
构成
一个质子、一个电子
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氢原子的能级的结论
快速
导航
简介电子轨道图稳定性表格比较参阅
历史
1913 年，尼尔斯·玻耳在做了一些简化的假设后，计算出氢原子的光谱频率。这些假想，玻尔模型的基石，并不是完全的正确，但是可以得到正确的能量答案。[1]
1925/26 年，埃尔文·薛定谔应用他发明的薛定谔方程，以严谨的量子力学分析，清楚地解释了玻尔答案正确的原因。氢原子的薛定谔方程的解答是一个解析解，也可以计算氢原子的能级与光谱谱线的频率。薛定谔方程的解答比玻尔模型更为精确，能够得到许多电子量子态的波函数（轨道），也能够解释化学键的各向异性。
简介
氢原子是氢元素的原子。电中性的原子含有一个正价的质子与一个负价的电子，被库仑定律束缚于原子核内。在大自然中，氢原子是丰度最高的同位素，称为氢，氢-1，或氕。氢原子不含任何中子，别的氢同位素含有一个或多个中子。这条目主要描述氢-1 。[2]
氢原子拥有一个质子和一个电子，是一个的简单的二体系统。系统内的作用力只跟二体之间的距离有关，是反平方有心力，不需要将这反平方有心力二体系统再加理想化，简单化。描述这系统的（非相对论性的）薛定谔方程有解析解，也就是说，解答能以有限数量的常见函数来表达。满足这薛定谔方程的波函数可以完全地描述电子的量子行为。因此可以这样说，在量子力学里，没有比氢原子问题更简单，更实用，而又有解析解的问题了。所推演出来的基本物理理论，又可以用简单的实验来核对。所以，氢原子问题是个很重要的问题。
另外，理论上薛定谔方程也可用于求解更复杂的原子与分子。但在大多数的案例中，皆无法获得解析解，而必须藉用电脑(计算机)来进行计算与模拟，或者做一些简化的假设，方能求得问题的解析解。
电子轨道图
概述图显示出能量最低的几个氢原子轨道（能量本征函数）。横向展示不同的角量子数 (l) ,竖向展示不同的能级 (n) 。
这些是概率密度的截面的绘图。图内各种颜色的亮度代表不同的概率密度（黑色：0 概率密度，白色：最高概率密度）。角量子数 l ，以通常的光谱学代码规则，标记在每一个纵排的最上端。s 意指l=0，p 意指 l=1 ，d意指 l=2。主量子数
标记在每一个横排的最右端。磁量子数m被设定为 0 。截面是 xz-平面（ z-轴是纵轴）。将绘图绕着 z-轴旋转，则可得到三维空间的概率密度。
电子的概率密度绘图
基态是最低能级的量子态，也是电子最常找到的量子态，标记为1s态，n=1, l=0}。
特别注意，在每一个轨道的图片内，黑线出现的次数。这些二维空间黑线，在三维空间里，是节面(nodal plane) 。节面的数量等于 n-1}，是径向节数（ n-l-1 ）与角节数（ l ）的总和。
稳定性
思考氢原子稳定性问题，应用经典电动力学来分析，则由于库仑力作用，束缚电子会被原子核吸引，呈螺线运动掉入原子核，同时辐射出无穷大能量，因此原子不具有稳定性。但是，在大自然里这虚拟现象实际并不会发生。那么，为什么氢原子的束缚电子不会掉入原子核里？应用量子力学，可以计算出氢原子系统的基态能量大于某有限值，称这结果为满足“第一种稳定性条件”，即氢原子的基态能量E0大于某有限值：
量子力学的海森堡不确定性原理可以用来启发性地说明这问题，电子越接近原子核，电子动能越大。但是海森堡不确定性原理不能严格给出数学证明，有些特别案例不能满足第一种稳定性条件，因为{\displaystyle \Delta x}量度的是波函数的半宽度，而不是波函数集聚于原子核附近的程度，所以波函数可以拥有一定的半宽度，并且极度集聚于原子核附近，造成库仑势能趋于
，同时维持有限的动能。
更详细分析起见，只考虑类氢原子系统，给定原子的原子序Z ，原子的能量 E为
其中， T 为动能，V为势能，
为描述类氢原子系统的波函数， x为位置坐标，
为积分体积。
应用索博列夫不等式，经过一番运算，可以得到能量最大下界为。
其中， Ry是能量单位里德伯，大约为13.6eV。
总结，类氢原子满足第一种稳定性条件这结果。
表格比较
相邻较轻同位素:
(没有, 最轻的)
氢原子是
氢的同位素
相邻较重同位素:
氢-2
母同位素：
自由中子
氦-2
氢原子的
衰变链
衰变产物为
（稳定）
参阅
氘
氚
氢原子光谱
21公分线
量子化学
类氢原子
球对称位势
拉普拉斯-龙格-楞次矢量 https://t.cn/R2WxT6z

【火箭的燃料都有哪些？】

1、液氧/汽油——第一枚液体火箭发动机的燃料
1926年3月16日，戈达德在马萨诸塞州的奥本成功发射了历史上首枚液体燃料火箭。这枚火箭采用液氧/汽油作为推进剂，总长约3米，发动机长0.6米，它的下方连接了两个串向推进剂贮箱，用两个长约1.5米的细管将液氧和汽油高压挤压到燃烧室中。3月16日，戈达德和妻子以及两个助手在沃德农场进行了世界上第一枚液体火箭的发射试验，虽然仅飞行了12.5米高、56.4米远，历时2.5秒，但这是人类第一枚液体火箭。

2、液氧/酒精的V2——希特勒孤注一掷的战争武器
V-2火箭的发动机使用液氧/酒精作为推进剂，推力可达2.5吨，采用液膜冷却和再生冷却的方法对推力室进行冷却，采用由高锰酸钠催化过氧化氢分解生成的高温气流来驱动涡轮泵进行泵压式增压输送推进剂。使用酒精，可以利用酒精的较高的汽化时吸热，使得冷却推力室的再生冷却方式有效。汽油/酒精和氧（尤其是气态氧）取材方便，成本较低，缺点是比冲低。

3、冷战的宠儿——剧毒肼燃料
发动机采用液氢、液氧，或者氧化剂采用的液氧的组元，这类燃料都有个蒸发的问题。因此贮箱不能完全封闭，否则随着温度上升，低温液体会不断蒸发成气体会导致内部压力过大而爆炸。实际上液氢和液氧都是在发射倒计时前才现场注入火箭内的，从那时起燃料罐就开始不断漏气泄压，一直补加燃料，补充挥发掉的部分（火箭发射时看到冒雾的原因）。如果军事用途的战备火箭军采用这种方式，那无论是从日常管理、安全性（防静电）、费用上都难以保证的。

从战备要求更高的军用火箭的实用需求出发,初期的火箭发动机多采用常温下稳定的肼、一甲基肼(MMH)、偏二甲肼(UDMH)、混肼(50%肼50%偏二甲肼)，氧化剂采用硝酸或N₂O₄。

（一）肼燃料：Hydrazine,剧毒,但肼的沸点为113.5℃，常温下液态，这是吸引科学家的一面。肼在在催化剂帮助下分解成氨气和氮气并放热，如果控制氨解离成氮和氢的吸热反应，最高可以得到1650K的燃气温度，通常作为小推力姿态控制发动机，在推力10N左右的微型发动机上用肼是最合适不过。航天飞机辅助动力单元的涡轮泵也采用了肼燃料燃气发生器，每台仅40公斤重，功率135马力。不过肼本身的热稳定性还比较差。

（二）偏二甲肼燃料：UDMH,同样剧毒,采用硝酸或N₂O₄等作氧化剂，有较宽的液态温度范围和较高的能量特性,有更便捷的军事用途,但比冲一般，作为巅峰质子火箭发动机RD-253,真空比冲也仅310S.由于氧化剂N₂O₄为红棕色，因此发射的时候出现橙红色是其明显特征。

（三）一甲基肼：MMH，姿态控制专用,沸点87.5℃，冰点-52℃，与氧化剂N₂O₄接触能自燃，能够多次启动。MMH+N₂O₄双组元大推力，解决了过氧化氢，或者肼催化、电热分解姿态控制发动机燃料比冲小、推力小的缺陷。航天飞机轨道机动系统（OMS）的AJ10-190发动机，安装在垂尾两侧，合计推力达到53.4千牛。X37B也采用了这种燃料用于变轨。

（四）混肼50：别名航空肼Aerozine50，是肼和偏二甲肼（UDMH）的50/50重量份混合物，上世纪50年代末由美国通用航空喷气公司研制，高能，广泛用作火箭燃料，混肼比肼更稳定，比单纯UDMH具有更高的密度和沸点，提高了安全性，并允许用作发动机中的循环冷却，采用四氧化二氮作为氧化剂。在大力神火箭LR87均采用。

4、液氧煤油——成本低廉的环保燃料
煤油突出特点是成本低，无毒环保，性能较高, 和液氧在一起成为最佳拍档，代表发动机有F1、RD170/180、spaceX的Merlin系列发动机。存在的不足是：比冲347秒较氢氧的457秒差距非常大；煤油燃烧会因为硫含量存在不同程度积碳影响重复使用；煤油作为冷却剂，受到结焦温度低的限制。目前通过分级富氧燃烧、提高燃烧室压力已经逼近理论极限。苏联甚至在极短的时间内通过在火箭的燃料箱中冷却煤油，实现了更高的密度。

5、液氢液氧——火箭燃料的皇冠
因为我国长征五号主发动机推进剂便是液氢液氧，因为-252℃液氢和-183℃液氧的贮存状态，长征五号又被称作“冰箭”。齐奥尔科夫斯基提出液体推进剂比固体推进剂能提供更多能量，并提出液氧/液氢是用于航天飞行的最佳推进剂。液氢液氧燃料缺点：液氢密度小，所需贮箱体积大；液氢超低温，极易蒸发和逃逸，储箱保温外壳的重量占比高；优点是比冲高达457S、无积碳、无污染，是多级火箭上面级的最佳选择。冷战期间，美苏在大推力液氢液氧发动机的研制上都有突破，迄今为止SSME和RD-0120依然是优秀发动机代表。冷战后，回归理性、注重效益，采用燃气发生器循环的RS68则是世界上目前推力最大的氢氧发动机，海平面推力达到30吨，真空推力达到34吨。

6、液氧甲烷燃料——星际旅行特款
甲烷搭配液氧很多方面表现稳定：
（一）比冲较高：比冲365秒。

（二）基本无积碳：甲烷结焦温度为950K，煤油结焦温度为560K，基本可以避免烃类燃料使用过程中的积碳和结焦。

（三）导热性好，同时易于多次启动和变推力调节。

但由于综合性能不如高压补燃循环的液氧煤油、比冲效能不如液氢液氧，虽然早就做了大量的研发和测试，但一直未被重视，直到星际旅行概念的兴起。

星际旅行要求发动机能够重复长时间使用、燃料就地取材的需求，液氧甲烷的优势明显。甲烷沸点为-161度，液氧沸点为-183度，两种理想工作温度更接近空间环境温度，理论上更易实现推进剂的空间长期贮存，属于空间可以贮存推进剂。而且由于温区接近，两种推进剂贮存及保温可以采用同样的方案和工艺手段，利于简化系统，贮箱可以共底，贮箱间无需特殊的绝热，简化贮箱设计，减轻结构质量。spaceX的RAPTOR目前已经缩比试车成功，燃烧室室压30MPa，真空推力350T。

7、其他另类的液体火箭燃料
液氟/液氢是比冲最高的双组元推进剂，达到480S，苏联采用研发了RD-350，用于UR700的上面级，3台推力350吨。但由于氟和氟化物有很高的毒性，应用过程中问题很大，至今未被应用在飞行器上。美国洛克达因公司在上世纪60年代，利用RL-10换FO2（二氧化氟）/CH4燃料，也研制了比冲为417s的发动机，同样也因为安全问题未采用。

也有在液氢/液氧推进剂中，添加轻金属（锂、铍或者锂、铍的氢化物），轻金属和氧化剂反应，产生高温，不过毒性、费用都要考虑考虑。
（直观学机械）

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