这些物质都不可能存在于地球上,如果存在,我们也将无法存在。
地球密度是分层次的,越深的物质密度越大
地球的结构一般有三层,即地壳、地幔、地核。如果还包括空气和海水,则有五层,即大气层、水圈、地壳、地幔和地核。如果进一步细分,地幔可分为上地幔和下地幔,地核可分为外核(液体层)、过渡层和内核。
现在我们先从大气开始,一层层讲物质的密度。大气层就是空气层。 0C时,地表和海平面的气压为1个大气压,空气密度为1.293kg/m^3(千克/立方米)。随着海拔的升高,气压越来越低,空气密度也越来越小。
珠穆朗玛峰是地球最高峰,海拔8848.86米。其上方气压约为海平面的30%。当温度相同时,气压与密度成正比,因此那里的空气密度约为海平面的30%。
从气态物质的角度来看,压力越大,物质的密度就越大。事实上,其他形式的物质也是如此。压力越大,物质的密度越大。随着表面下降,压力越来越高,因此物质的密度也越来越高。
水压随着深度的增加而增加,每深10米就增加一个大气压。因此,在地球上最深的海水马里亚纳海沟中,水深达到12000米,水压达到1200个大气压。然而,水的密度与温度的关系更为密切。 4摄氏度时密度最高,约为999.972kg/m^3。一般采用1g/cm^3(克/立方厘米)。
在地球的共同压力下,水的密度会随着温度的升高或降低而相应减小。但一般压力对水的密度影响不大。于是,人们发明了液压机,通过水的转换传递强大的压力来锻造设备部件。
海水的密度与含盐量密切相关,一般在1.021.07 g/cm^3之间。由于一般水压对水的密度影响不大,即使在地球最深处的马里亚纳海沟底部,水的密度仍然没有明显的变化。
地球物质的平均密度为5.518g/cm^3。除水外,其他物质在不同深度的密度也不同。
地壳主要由岩石组成,平均厚度约为35公里,平均物质密度在2.6至2.9g/cm^3之间。上地幔深度在地壳以下,距地表约980公里,其物质密度约为3.2和3.6。克/厘米^3;下地幔距地表980公里至2900公里之间,物质密度在5.1至5.6g/cm^3之间。
外核距地面约2900公里至4700公里,物质密度在10.0至11.4g/cm^3之间;过渡层距地表4700公里至5100公里之间,密度约为12.3g/cm^3;内核距地表5100公里至6371公里之间,密度约为12.5g/cm^3 ^3。
地球上压力最高的是地核,压力约为360万个大气压,是太阳核心约3000亿个大气压的0.000012倍,约为10万个大气压的1.2倍;与中子星核心的10^28个大气压相比,则仅为100万亿分之3.6。
因此,地球上密度最大的物质位于地核深处,每立方米约12.5吨。但这是不同深度物质的平均密度,不同元素的密度也不同。
地球不同物质元素的密度
一般来说,地球物质分为五种状态,即气体、液体、固体、等离子体、玻色~爱因斯坦凝聚态。一般来说,正常物质的气态密度最小,液态次之,固态密度最大。当然,也有例外。例如,软木塞处于固态并且密度低于液体。
等离子体态是物质原子中的电子在高温或高压环境下被部分驱离,导致原子核和电子分离,但又混合在一起形成团簇的现象。太阳是一团巨大的等离子体,通常出现在高温火焰、闪电、电弧、荧光灯启动等现象中。玻色~爱因斯坦凝聚是材料在接近绝对零(-273.15C)的人工条件下表现出的一种特殊性质。今天我们不讨论这两种形式的物质。
人类已发现的元素有118种。从密度来看,金属元素的密度最高。一些常见金属元素的密度为(g/cm^3):铁7.87、铜8.96、银10.5、铅11.34、汞13.55、金18.88、钨19.3、铂21.45、铱22.42、锇22.48。
目前密度最高的元素是锇,元素符号为Os,原子序数为76,相对原子质量为190.23,熔点为3045,沸点在5027以上。这是一种灰蓝色金属,极其坚硬但易碎,可以用铁研钵碾碎。粉碎后的锇粉呈蓝黑色,能自燃。其蒸气有剧毒,强烈刺激人的眼睛。严重时可导致失明。
锇是一种极为稀有的金属,储量极小,散布于其他矿藏中。每年世界上可用的锇总量以千克为单位计算。
由于有些元素在自然条件下过于稀缺或极不稳定,人类发现的118种元素中有26种是人工获得的。这些人造元素都是在极端条件下在对撞机中“碰撞”的。数量非常少,有的只有几个原子。例如,118 Og元素只有3个原子,而且转瞬即逝。通过精密仪器的检测,才证实这种元素确实存在,并得到了世界科学界的认可。
人造元素Heihei(发音为Hei),化学符号Hs,原子序数108,相对原子质量265,是一种过渡金属,也是迄今为止密度最大的元素,密度约为40.9g/cm^3。该元素的半衰期只有半毫秒。 1秒等于1000毫秒。半毫秒有多长?因此它根本不可能存在于自然界中。
在地球上,密度最高的物质很可能是黑元素。与宇宙中特殊天体的物质密度相比,这些元素实在是微不足道,无法比拟。
为啥地球上就不能存在中子星这种极高密度物质呢?
这是因为地球的质量太小,只有太阳质量的33万倍,而且它的体积非常大,半径有6371公里。要知道中子星的质量至少是太阳的1.44倍,半径只有10到20公里。也就是说,中子星的质量至少是地球的47万倍,半径只有地球的637到318倍,体积也只有地球的几千万到一亿倍左右。
根据牛顿万有引力定律,引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比,表示为:F=GMm/r^2。由此可见,行星的质量越大,体积越小,其表面距离质心越近,引力(也称为时空曲率)就越大。
根据这个规则,我们可以得到天体引力加速度的计算公式:g=GM/R^2,即引力公式G=mg。这里g表示重力加速度,单位为m/s^2(米/平方秒); G是万有引力常数; M为天体质量,单位为kg(千克); R是距天体质心的距离,单位为m。
根据这个公式,我们可以简单计算出地球重力加速度g9.8m/s^2(米/平方秒),也可以理解为重力g9.8N/kg(牛顿/千克)。我们简单计算一下,一颗半径为20公里、质量为太阳1.44倍的中子星,其引力g4802.4亿牛/千克,约为地球引力的490亿倍。如果这颗中子星的质量是太阳的3倍,那么半径只有10公里。如果是这样,那么重力g40020亿N/kg,大约是地球重力的4084亿倍。
地球的物质都是由原子组成的,而原子有坚硬的电子壳层。原子核隐藏在原子的核心,只占原子体积的数千亿到万亿分之一,却占据了整个原子质量的99.96%。因此,一切由原子组成的物质从微观世界来看都是空的。
但在地球上想要突破这个坚硬的电子壳层几乎是不可能的。它只能通过在强子对撞机中人为地产生接近光速的粒子碰撞来实现。这种高速碰撞也能产生强大的压力,但这种压力只能在地球上的微观粒子层面产生。也可以说达到了中子星的物质水平,但肉眼看不见,转瞬即逝。
在中子星的巨大引力下,原子被压碎,电子被压缩到靠近原子核的位置。这使得物质的密度增加了数千亿至数万亿倍,使其成为极其致密的物质。在地球上,根本不可能产生如此巨大的压力,中子星这样致密的物质当然不可能存在。
高度致密的天体质量越大体积越小,最终归于虚无
中子星的密度达到原子核的密度,甚至更高。因为这个原子核是由中子组成的,所以恒星的形状是靠中子之间的简并压力(相互排斥)来维持的。这种现象称为泡利不相容原理。这个道理我以前已经说过很多次了,今天不再赘述。
一般来说,中子星的质量越大,引力压力就越大。由中子简并压力维持的恒星会被压缩得更密,因此体积会更小。中子星会通过强大的引力不断捕食附近的天体和星际物质,它们的质量会不断增加。当质量达到太阳的三倍左右时,中子简并压力将无法支撑自身的引力,就会爆炸或迅速塌缩成黑洞。
黑洞的质量和体积之间的关系遵循史瓦西半径原理。所谓史瓦西半径,是指任何物质都有其自身质量的临界半径。只要缩小到这个临界半径,它就会无可奈何地、不可逆转地变成黑洞。
史瓦西半径公式为:R=2GM/C^2。这里R是史瓦西半径值,G是万有引力常数,M是天体(或任何物体)的质量,C是光速。
根据这个公式,太阳的史瓦西半径约为2952米,地球的史瓦西半径约为8.8毫米;而质量为太阳3倍的中子星塌陷成黑洞后,史瓦西半径不足9000米。
根据黑洞理论,史瓦西半径并不是黑洞的体积,而是黑洞质量围绕其自身形成的球面曲率空间。黑洞质量实体隐藏在黑洞核心的无限小奇点中。这个在我们的世界中已经不算什么的奇点,在其周围形成了一个具有无限曲率和无限重力的球形空间。这个球面空间称为史瓦西半径。
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用户评论
这个话题真有趣,密度最高的物质居然不是中子星,那是什么?
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中子星密度那么高,为何没有更密集的物质存在呢?有点想探究一下。
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密度最高的是原子核吗?这答案太让人意外了!
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中子星密度那么大,我们怎么可能找到更密集的物质呢?真是神奇!
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原子核密度那么高,那宇宙中还有没有其他密度更高的物质呢?
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密度最高的物质竟然是原子核,这让我想起了原子弹,太可怕了。
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这个标题太吸引人了,我一直以为密度最高的是中子星呢。
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中子星密度那么高,如果没有更密集的物质,那宇宙岂不是太单调了?
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原子核密度那么高,那我们平时接触的物质岂不是太轻了?
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我一直好奇中子星之外的物质密度,没想到密度最高的竟然是原子核。
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中子星的密度确实让人难以想象,但原子核的密度也不甘示弱啊。
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密度最高的物质是原子核,这让我对原子有了新的认识。
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中子星密度那么高,为什么没有更密集的物质存在呢?这个问题太吸引人了。
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密度最高的物质是原子核,这让我想到了核聚变,太神奇了。
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密度最高的物质竟然是原子核,这让我对宇宙有了新的认识。
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中子星的密度那么高,如果没有更密集的物质,那宇宙岂不是太单调了?
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原子核密度那么高,那我们平时接触的物质岂不是太轻了?
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密度最高的物质是原子核,这让我对宇宙的奥秘有了更深的理解。
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