密度最大的物質可以大到哪種程度?每立方厘米就重達20億噸

導語

密度是物理學中重要的概念之一,它是用來描述物質緊密程度的物理量,可以幫助我們理解物質的特性以及宇宙中的各種現象。
在日常生活中,我們碰到密度這個概念最多的情境莫過於水了: 密度小於1克/立方厘米的物質浮在水面上,密度大於1克/立方厘米的物質則沉在水中,而水本身的密度就是1克/立方厘米。

然而密度並不僅僅用來解釋浮力和浮沉現象,它還深深嵌入物質的各種本質和宇宙的諸多奇特現象之中。
那麼毫無疑問,密度最大的物質可能大到什麼程度呢?
再密集的物質是否有實際應用價值?

一、密度的理解。

密度是一個簡單而又非常重要的物質屬性: 它是用來描述物質中質量和體積之間關係的物理量,通常用 ρ 表示。
物質的密度是單位體積中包含的質量,所以密度的單位可以用質量單位和長度單位結合表示。
國際單位制中,密度的單位制是千克/立方米,這個單位表示1立方米的物質中有1千克的質量。
這個量是非常有實際感受的: 一個人站在地上就約佔1千克,因此想像這樣一個人的體積的東西可以排滿整個人身,在生活中還是比較好理解的。

密度雖然簡單易懂,但不簡單的是探討密度的影響物體性質的有關問題。
物體之間的浮力較容易理解: 密度大的物體比密度小的物體容易沉下來,密度小的比密度大的容易浮上去。
但密度還和物質狀態變化、恆星演化等現象密切相關。
在物質狀態變化方面,密度極大的物質可以產生比普通物質更宏偉壯觀的現象。

這其中最有名的要數黑洞了。
黑洞是在恆星對燒盡了核心燃料坍塌形成的一個非常緊湊的物體,它的密度非常大,前面提到的1千克/立方米相對於黑洞來說就相當於「流水」,但是黑洞內部的空間已經不再遵循宏觀物理學的規律了,有些黑洞的密度甚至達到了無窮大。
這就是黑洞的典型特徵: 萬有引力作用無窮大。
由於萬有引力以太相對較高的密度比較顯著,因此,密度越大的物質形成黑洞的幾率就越大。

恆星演化方面,也是密度大小的表現。
太陽這樣類似大小的恆星,經過整個生命周期形成模樣最終會變成白矮星,這就是「暮年」的狀態,會比較小的恆星,其他力的作用不足夠將物質壓縮在一起,導致沒有足夠的密度形成黑洞。
然而大的恆星就不同了。
像我們的鄰居—織女星,這樣的超大恆星最終走到了結果生命周期,產生超新星爆炸
在這個過程中,超新星劇烈膨脹,最終引力完全壓制了擴張導致爆炸,就會重壓所有物質向內擠壓。
在這樣情況下,更多的物質就可以形成緊湊的物體形成黑洞。

黑洞是密度最大的物質,對物理學家來說是一個難得的研究對象。
由於黑洞內部的物質極其緊湊,導致黑洞有很強的引力作用,一旦東西掉進去就無法被拽出來了,對於黑洞內部究竟是什麼樣的,人類還沒有辦法通過實驗觀察到,對黑洞的研究尚處於探索階段。

二、密度最高的物質。

那麼在普通物質當中,密度最大的物質又是什麼呢?
毫無疑問是我們身邊所熟知的一種特殊金屬—鋨。
鋨是一種非常稀有的物質,它的密度非常大,大概比沈重金屬鉑還要稀有。
然而鋨的密度卻更大一些,可以達到22.59克/立方厘米。

這個大約1立方厘米的物質中包含着20克左右的質量,這一數量即使不是黑洞也絕對是挺壓破的物質了。
那麼如此密集的物質到底是什麼呢?
鋨是一種d型金屬,金屬在化學上可以被再分為s型和d型兩種,它們的穩定性和化學性質都是不同的。
s型的稀土金屬富勒烯系列有着特殊的輪廓結構,每種s型化合物的單位體積中僅有幾個金屬之間的化合物結合在一起,因此相對來說它們之間的化學鍵結合性比較低,這導致它們之間的空間間隙很大。
因此,s型金屬物質之間的密度就比較小。

但是兩種金屬之間的分佈又沒有那麼絕對: 除了大多數s型金屬,像鋁這樣的金屬的密度卻非常小,這是因為它的結晶結構中有着很多大的空間間隙,這些空間間隙可以容納相應的自由空間,使得整個物質的密度縮小。
在物理結構上,沒有空隙的金屬結構就會更加緊密,這種時候化學鍵之間的作用力也會更大。
像d型金屬中的鉑就是這樣的金屬,它是密度最大的d型金屬之一,和最密集的鋨之間的化學鍵結構緊密度非常高。
這種化學鍵結構的緊密體現在鋨的結晶結構上,它相對有着很大的結晶密度。

像鉑這種金屬的結構是扁平的,所以它的結晶面之間有着很大的間隙。
而鋨的結構則呈現出三維的球狀立方結構,所以結晶面之間有着更少的間隙。
因此,單位體積中包含的原子核數目可以更多,使得物質的密度更大。
這種稀有金屬的物質雖然密度大,對於我們的生活來說並沒有那麼多的直接用途,但是其在其他工業上卻有着不可或缺的作用,因此我們要珍惜。

三、鋨的應用價值。

鋨在很多方面有着重要的應用價值。
首先是電子技術。
由於鋨是一種電負度很高的金屬,所以它非常不活潑。
同時,由於其結晶密度高,所以金屬的電導率也非常高。
在電子產品中,金屬線路是非常重要的部分,是電子信息傳輸的橋樑,而鋨再這樣一個場景中就有着重要的作用。
其次是催化劑
鋨是一種非常不活潑的金屬,它的硬度也非常大,所以它經常被用來做一些化學反應的催化劑。
在催化劑領域中,金屬往往扮演不可缺少的重要角色,因為金屬是一種大量存在並且有着非常巨大原子核的元素,所以它往往能為化學反應提供中心,加強化學反應的發生。

同時,金屬可以扮演催化劑,還有一個重要的原因就是很多金屬的電負度都非常高,所以它們和其他元素進行化學反應時,會釋放出很多的能量,這些能量就可以催化反應的發生。
鋨是其中的佼佼者,並且因為其結晶密度大,所以可以在單反應條件下催化乙炔氣分解,是一種重要的工業催化劑。

另外,由於鋨的金屬電導率高,也被應用在面板顯示領域: 在LED等燈陣中,鋨被用來做觸電等。
儘管對於大多數人來說,密度最大的物質只是一些少見而且不常用的稀有金屬,但是這個概念還是非常有意思的,尤其是和宇宙那些更奇特的環境各種密度形態作對比的時候,人們就會感嘆這個物質世界是多麼奇妙了。

結語

我們生活在一個物質世界中,而物質的組成起決定作用的就是素子,素子之間的互相作用決定了物質的性質,而這種作用最終表現出來的就是密度。
密度是一個非常有意思的物理學概念,不僅讓我們認識物質本質,還可以幫我們解釋許多世界中的現象,是我們認識這個完美世界的重要基礎。