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    地球上什么物質密度最大

    放大字體??縮小字體 時間:2022-03-05 14:31    熱度:249
    如果要說宇宙中密度最高的物質,頂級密度當然就是黑洞啦,其核心奇點密度無限大,也就。。。

    如果要說宇宙中密度最高的物質,頂級密度當然就是黑洞啦,其核心奇點密度無限大,也就是無法估量;其次就是中子星,密度在1~20億噸/cm^3。

    這些物質在地球上都不可能存在,如果存在我們就無法存在了。

    地球密度是分層次的,越深的物質密度越大

    地球的結構大體有三個層次,即地殼、地幔、地核;如果把空氣和海水也算上的話,就有五層,即大氣層、水圈層、地殼層、地幔層、地核層;如果再細分一下,地幔又可分為上地幔和下地幔,地核可分為外地核(液態層)、過渡層、內地核。

    現在我們從大氣層開始,一層層物質密度說一下。大氣層就是空氣層,在0℃時地表海平面空氣壓力為1個大氣壓,空氣密度為1.293kg/m^3(公斤/立方米)。隨著海拔的升高,氣壓會越來越低,空氣密度也越來越小。

    地球最高峰珠穆朗瑪峰海拔為8848.86米,上面的氣壓約為海平面的30%,在溫度相等情況下,空氣氣壓和密度成正比例關系,因此那里的空氣密度約為海平面的30%。

    從氣態物質來看,是壓力越大物質密度就越大,其實其他形態物質也一樣,壓力越大,物質密度就越大。而隨著地表往下走,壓力就會越來越高,因此物質密度也就越來越大。

    水壓隨著深度增加,每深10米會增加一個大氣壓。因此在地球海水最深處的馬里亞納海溝,水深達到12000米,水壓就達到1200個大氣壓。但水的密度與溫度關系更為密切,在4攝氏度時密度最高,約為999.972kg/m^3,一般采用1g/cm^3(克/立方厘米)。

    水在地球常見壓力下,隨著溫度升高或降低,密度都會相應降低,而一般壓力對水的密度影響不大,因此人們才發明了水壓機,通過水轉換傳遞強大的壓強來鍛壓設備部件。

    海水密度與含鹽量有密切關系,一般在1.02~1.07 g/cm^3,由于一般水壓對水的密度影響不大,因此即便在地球最深處的馬里亞納海溝底層,水的密度也沒有明顯變化。

    地球物質平均密度為5.518g/cm^3,除了水,其他物質在不同深處密度是不一樣的。

    地殼主要由巖石組成,平均厚度約35公里,平均物質密度在2.6~2.9g/cm^3之間;上地幔深度在地殼之下,約距地表980公里之上,物質密度約在3.2~3.6g/cm^3之間;下地幔在距地表980公里到2900公里之間,物質密度在5.1~5.6g/cm^3之間。

    外地核距地面約在2900公里到4700公里之間,物質密度在10.0~11.4g/cm^3之間;過渡層在距地表4700公里到5100公里之間,密度約為12.3g/cm^3;內地核在距地表5100公里到6371之間,密度約為12.5g/cm^3。

    地球上最大壓力的地方是在地核,約為360萬個大氣壓,是太陽核心約3000億個大氣壓的0.000012倍,也就是約10萬分之1.2倍;而比起中子星核心10^28個大氣壓力,則只有100萬億億分之3.6。

    因此,地球密度最高的物質就是在地核深處,也就是每立方米約為12.5噸。但這是物質在不同深處的平均密度,而從各種元素來看,密度各不相同。

    地球不同物質元素的密度

    一般來說,地球物質分為五種狀態,即氣態、液態、固態、等離子態、玻色~愛因斯坦凝聚態。一般來說,常態物質氣態密度最小,液態次之,固態密度最大。當然也有例外,如軟木屬于固態,就比液態密度小。

    等離子態是在高溫或高壓環境,物質原子中的電子被部分驅離,導致原子核和電子分離,但又若即若離混在一起成團的現象。一般在高溫火焰、閃電、電弧、日光燈啟動等現象中可見,太陽就是一團巨大的等離子體。而玻色~愛因斯坦凝聚態是在人造接近絕對零度(-273.15℃)條件下,物質呈現出來的一種特殊性質。這兩種形態的物質我們今天就不討論了。

    人類已經發現的元素有118個,從密度來看,金屬元素密度最高。常見的一些金屬元素密度為(g/cm^3):鐵7.87、銅8.96、銀10.5、鉛11.34、汞13.55、金18.88、鎢19.3、鉑21.45、銥22.42、鋨22.48。

    目前,單質元素密度最高的是鋨,元素符號為Os,其原子序數為76,相對原子質量為190.23,熔點為3045℃,沸點在5027℃以上。這是一種灰藍色金屬,質地極硬但很脆,放在鐵臼里就可搗碎。搗碎的鋨粉呈藍黑色,可自燃,其蒸氣有劇毒,強烈刺激人眼,嚴重時會導致失明。

    鋨屬于極稀有金屬,儲量極少,且伴生分散于其他礦藏中,全世界每年能夠得到的鋨總量以公斤計。

    由于某些元素儲量太少,或在自然條件下極不穩定,因此在人類發現的118種元素中,有26種是通過人造得到的。這些人造元素都是在極端條件下,在對撞機“撞”出來的,量極少,有的只有幾個原子。如118號元素Og只獲得過3個原子,而且轉瞬即逝,通過精密儀器探測,才證實這種元素真的存在,得到世界科學界的承認。

    人造元素钅黑(念黑),化學符號為Hs,原子序數為108,相對原子質量為265,是一種過渡金屬,也是迄今為止密度最大的元素,密度約為40.9g/cm^3。這種元素的半衰期只有半毫秒,1秒等于1000毫秒,半毫秒有多長?因此在自然界根本無法存在。,

    在地球上,能證明密度最大的物質大概就是單質钅黑元素了。這些元素比起宇宙中特殊天體物質密度,實在是小小小巫見大大大巫了,無法類比。

    為啥地球上就不能存在中子星這種極高密度物質呢?

    這是因為地球質量太小了,只有太陽質量的33萬分之一,且體積很龐大,半徑達到6371公里。要知道一顆中子星質量至少是太陽的1.44倍,半徑只有10~20公里。也就是說中子星的質量至少是地球的47萬倍,而半徑只有地球的637~318分之一,體積只有地球約數千萬分之一到數億分之一。

    根據牛頓萬有引力定律,引力大小是與質量成正比,與距離平方成反比的,表述為:F=GMm/r^2。由此,我們可以看出,一個星球的質量越大,體積越小,表面距離引力質心就越近,引力(也叫時空曲率)就越大。

    根據這個規律,我們可以得到計算天體重力加速度的公式為:g=GM/R^2,或者重力公式G=mg。這里g表示重力加速度,單位m/s^2(米/平方秒) ;G為引力常量;M為天體質量,單位kg(千克) ;R為與天體質心距離,單位m。

    根據這個公式,我們可以簡單計算出地球的重力加速度g≈9.8m/s^2(米/平方秒),也可以理解為重力g≈9.8N/kg(牛頓/千克)。我們簡單計算一顆半徑為20公里,質量為太陽1.44倍的中子星,重力g≈4802.4億N/kg,是地球重力約490億倍;如果這顆中子星質量為太陽的3倍,半徑只有10公里的話,則重力g≈40020億N/kg,是地球重力約4084億倍。

    地球物質都是由原子構成的,而原子有一個堅硬的電子外殼,原子核躲在原子核心只占原子體積的數千億到萬億分之一,卻占有整個原子99.96%的質量,因此所有由原子組成的物質,從微觀世界來看都是虛空的。

    但要突破這個堅硬的電子外殼,在地球上幾乎是不可能的,只有在強子對撞機里人工制造接近光速的粒子對撞下才能夠突破。這種高速對撞也能制造強大壓力,但地球上只能在微觀粒子層面創造出這種壓力,也可以說達到中子星物質層面的物質,但人眼是無法看到的,且轉瞬即逝 。

    而在中子星這種巨大重力下,原子就被壓碎了,電子被壓縮近原子核,這樣物質密度就增加了幾千億到上萬億倍,因此就成為極端致密的物質。而在地球上,根本不可能形成這樣巨大的壓力,當然就不可能存在中子星這種密度物質了。

    高度致密的天體質量越大體積越小,最終歸于虛無

    在中子星上超巨大重力的壓榨下,我們認知的所有地球物質原子外殼都被壓碎了,帶負電的電子被壓縮進了原子核里面,與帶正電的質子中和成為中子,加上原有的中子,這樣整個中子星星球就成為由中子組成的巨大原子核了,這就是中子星名字的來源。

    中子星的密度達到原子核密度,甚至更高。因為這個原子核都是由中子組成,依靠中子與中子之間的簡并壓(相互排斥力)維持著星體的形狀,這種現象叫泡利不相容原理,關于這個原理過去說過多次,今天就不展開說了。

    一般來說,中子星質量越大,重力壓力就越大,依靠中子簡并壓維持的星體就被壓縮得越致密,因此體積就會越小。中子星通過強大引力會不斷捕食附近天體和星際物質,質量不斷增大,當質量達到太陽約3倍時,中子簡并壓就無力支撐自身重力了,會發生爆炸或迅速坍縮成為一顆黑洞。

    黑洞的質量與體積關系遵循史瓦西半徑原理。所謂史瓦西半徑,是指任何物質都有一個自己質量的臨界半徑,只要縮小到這個臨界半徑里,就會無可奈何、無法逆反地成為一顆黑洞。

    史瓦西半徑公式為:R=2GM/C^2。這里的R為史瓦西半徑值,G為引力常量,M為天體(或任意物體)質量,C為光速。

    根據這個公式計算,太陽的史瓦西半徑約為2952米,地球的史瓦西半徑約為8.8毫米;而一個3倍太陽質量的中子星坍縮成黑洞后,史瓦西半徑不到9000米。

    根據黑洞理論,史瓦西半徑不是黑洞的體積,只是黑洞質量在其自身周圍形成的一個球形曲率空間,黑洞質量實體藏在黑洞核心一個體積無限小的奇點上。這個在我們世界已經虛無的奇點,在周圍形成一個無限曲率,也就是無限引力的球形空間,這個球形空間就叫史瓦西半徑。

    但太陽和地球都不可能成為黑洞,因為沒有這么大的壓力把它們壓進自己質量的史瓦西半徑里。在宇宙中,只有約太陽質量3倍以上的中子星這種致密天體,才具備壓縮成黑洞的重力,而恒星則需要30~40倍太陽質量,在死亡前發生超新星大爆炸才有可能形成黑洞。

    任何物質一旦靠近并被吸進黑洞的史瓦西半徑(又叫黑洞事件視界),就有去無回只能墜落到奇點里。這就是黑洞會吞噬宇宙一切物質,質量和事件視界變得越來越大的原因。這也是地球上無法存在中子星物質,更無法存在黑洞的原因。對此,各位有何見解?歡迎討論,感謝閱讀。


     

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