氢是宇宙中最为简单的元素,是研究凝聚态问题的经典体系之一。在近代自然科学和工程技术中,金属氢问题、高温超导问题、惯性约束聚变问题、天体演化问题等,均涉及氢及其同位素处于高温高压下的物态变化特性。探索高温高压下氢的结构(晶格结构、电子结构及相态,包括固、液、汽、等离子体相等)的改变,以及组成粒子(分子、原子、离子、电子)间相互作用等对它的宏观物理性质(包括热、光、电学性质等)的影响,对于人们认识极端高温高压条件下氢的凝聚态物理性质也具有重要的科学意义。高温高压下,物质在宏观上可以表现为体积的减小和体系的内能增加。其中,体积压缩使物质原子或分子间距缩小。量子力学认为,伴随着原子间距缩短,电子密度的空间分布将会发生变化,甚至导致局域电子向非局域化转变,从而引起物质的物理和化学性质发生变化,乃至发生突变。人们发现从常压增加到100吉帕(≈1兆巴)的过程中,物质可以平均发生3-5个相变。氢虽然具有最简单的电子结构,但在高温高压下其相图却是异常的复杂。近年来,人们对于高温高压下氢的内能、压强、温度、体积变化关系,以及金属化相变发生的条件和所存在的热力学不稳定区域仍存在较大争议,而相关实验数据又比较缺乏。因此,本文在介绍完研究背景和研究现状以及理论方法之后,基于密度泛函理论,对固态氢和流体氢的物态方程以及金属化相变进行描述,并说明固态和液态氢的密度或体积、液态氢的直流电导率随温度和压强的变化规律。我们的研究结果主要表现为以下两个方面：1.采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似(GGA),计算了固氢第二相区间可能存在的Pca21结构的物态方程以及声子谱。在压强为310 GPa时,Pca21结构转变为Cmca-4,并且能带穿过费米面表现了微弱的金属性,从理论上说明金属氢的实现。2.通过基于密度泛函理论的分子动力学模拟系统的研究了流体氘的冲击压缩物态方程,计算分析了流体氢在密度为0.30-1.10g/cm3、温度为103-104K范围内的氢分子解离、电子结构变化特征,并较详细的描述了温度和密度对体系热学、电学、光学性质以及金属化相变的影响。采用较大模拟尺寸发现流体氢在温度为3000 K仍然存在明显的一级相变特征。揭示出分子氢离解为原子氢的过程伴随着绝缘相到金属相的变化。通过对电导率的计算分析,发现流体氢的金属化相变存在于一个更广泛的温度和密度区间,并给出了相应相变区间。最后我们给出了氢的新的相图。本文基于密度泛函理论系统的分析了温度和压强对氢的物理性质的影响,证实了固态下金属氢的存在,发现了第一性原理分子动力学模拟的粒子数对流体氢一级相变的判定存在影响,采用较大模拟尺寸首次得到流体氢在3000 K仍然存在明显的一级相变特征,并初步得到较完整的氢的状态方程数据,较好地解释了已有的电导率测量结果和高压压缩数据。