您当前的位置: 首页 >  博客资讯

地球上什么物质密度最大,为啥没有中子星这种极高密度的物质?

如果要说宇宙中密度最高的物质,顶级密度当然就是黑洞啦,其核心奇点密度无限大,也就是无法估量;其次就是中子星,密度在1~20亿吨/cm^3。

这些物质地球上都不可能存在,如果存在我们就无法存在了。

地球密度是分层次的,越深的物质密度越大

地球的结构大体有三个层次,即地壳、地幔、地核;如果把空气和海水也算上的话,就有五层,即大气层、水圈层、地壳层、地幔层、地核层;如果再细分一下,地幔又可分为上地幔和下地幔,地核可分为外地核(液态层)、过渡层、内地核。

现在我们从大气层开始,一层层物质密度说一下。大气层就是空气层,在0℃时地表海平面空气压力为1个大气压,空气密度为1.293kg/m^3(公斤/立方米)。随着海拔的升高,气压会越来越低,空气密度也越来越小。

地球最高峰珠穆朗玛峰海拔为8848.86米,上面的气压约为海平面的30%,在温度相等情况下,空气气压和密度成正比例关系,因此那里的空气密度约为海平面的30%。

从气态物质来看,是压力越大物质密度就越大,其实其他形态物质也一样,压力越大,物质密度就越大。而随着地表往下走,压力就会越来越高,因此物质密度也就越来越大。

水压随着深度增加,每深10米会增加一个大气压。因此在地球海水最深处的马里亚纳海沟,水深达到12000米,水压就达到1200个大气压。但水的密度与温度关系更为密切,在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)。

水在地球常见压力下,随着温度升高或降低,密度都会相应降低,而一般压力对水的密度影响不大,因此人们才发明了水压机,通过水转换传递强大的压强来锻压设备部件。

海水密度与含盐量有密切关系,一般在1.02~1.07 g/cm^3,由于一般水压对水的密度影响不大,因此即便在地球最深处的马里亚纳海沟底层,水的密度也没有明显变化。

地球物质平均密度为5.518g/cm^3,除了水,其他物质在不同深处密度是不一样的。

地壳主要由岩石组成,平均厚度约35公里,平均物质密度在2.6~2.9g/cm^3之间;上地幔深度在地壳之下,约距地表980公里之上,物质密度约在3.2~3.6g/cm^3之间;下地幔在距地表980公里到2900公里之间,物质密度在5.1~5.6g/cm^3之间。

外地核距地面约在2900公里到4700公里之间,物质密度在10.0~11.4g/cm^3之间;过渡层在距地表4700公里到5100公里之间,密度约为12.3g/cm^3;内地核在距地表5100公里到6371之间,密度约为12.5g/cm^3。

地球上最大压力的地方是在地核,约为360万个大气压,是太阳核心约3000亿个大气压的0.000012倍,也就是约10万分之1.2倍;而比起中子星核心10^28个大气压力,则只有100万亿亿分之3.6。

因此,地球密度最高的物质就是在地核深处,也就是每立方米约为12.5吨。但这是物质在不同深处的平均密度,而从各种元素来看,密度各不相同。

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,即气态、液态、固态、等离子态、玻色~爱因斯坦凝聚态。一般来说,常态物质气态密度最小,液态次之,固态密度最大。当然也有例外,如软木属于固态,就比液态密度小。

等离子态是在高温或高压环境,物质原子中的电子被部分驱离,导致原子核和电子分离,但又若即若离混在一起成团的现象。一般在高温火焰、闪电、电弧、日光灯启动等现象中可见,太阳就是一团巨大的等离子体。而玻色~爱因斯坦凝聚态是在人造接近绝对零度(-273.15℃)条件下,物质呈现出来的一种特殊性质。这两种形态的物质我们今天就不讨论了。

人类已经发现的元素有118个,从密度来看,金属元素密度最高。常见的一些金属元素密度为(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,单质元素密度最高的是锇,元素符号为Os,其原子序数为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,质地极硬但很脆,放在铁臼里就可捣碎。捣碎的锇粉呈蓝黑色,可自燃,其蒸气有剧毒,强烈刺激人眼,严重时会导致失明。

锇属于极稀有金属,储量极少,且伴生分散于其他矿藏中,全世界每年能够得到的锇总量以公斤计。

由于某些元素储量太少,或在自然条件下极不稳定,因此在人类发现的118种元素中,有26种是通过人造得到的。这些人造元素都是在极端条件下,在对撞机“撞”出来的,量极少,有的只有几个原子。如118号元素Og只获得过3个原子,而且转瞬即逝,通过精密仪器探测,才证实这种元素真的存在,得到世界科学界的承认。

人造元素钅黑(念黑),化学符号为Hs,原子序数为108,相对原子质量为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。这种元素的半衰期只有半毫秒,1秒等于1000毫秒,半毫秒有多长?因此在自然界根本无法存在。,

在地球上,能证明密度最大的物质大概就是单质钅黑元素了。这些元素比起宇宙中特殊天体物质密度,实在是小小小巫见大大大巫了,无法类比。

为啥地球上就不能存在中子星这种极高密度物质呢?

这是因为地球质量太小了,只有太阳质量的33万分之一,且体积很庞大,半径达到6371公里。要知道一颗中子星质量至少是太阳的1.44倍,半径只有10~20公里。也就是说中子星的质量至少是地球的47万倍,而半径只有地球的637~318分之一,体积只有地球约数千万分之一到数亿分之一。

根据牛顿万有引力定律,引力大小是与质量成正比,与距离平方成反比的,表述为:F=GMm/r^2。由此,我们可以看出,一个星球的质量越大,体积越小,表面距离引力质心就越近,引力(也叫时空曲率)就越大。

根据这个规律,我们可以得到计算天体重力加速度的公式为:g=GM/R^2,或者重力公式G=mg。这里g表示重力加速度,单位m/s^2(米/平方秒) ;G为引力常量;M为天体质量,单位kg(千克) ;R为与天体质心距离,单位m。

根据这个公式,我们可以简单计算出地球的重力加速度g≈9.8m/s^2(米/平方秒),也可以理解为重力g≈9.8N/kg(牛顿/千克)。我们简单计算一颗半径为20公里,质量为太阳1.44倍的中子星,重力g≈4802.4亿N/kg,是地球重力约490亿倍;如果这颗中子星质量为太阳的3倍,半径只有10公里的话,则重力g≈40020亿N/kg,是地球重力约4084亿倍。

地球物质都是由原子构成的,而原子有一个坚硬的电子外壳,原子核躲在原子核心只占原子体积的数千亿到万亿分之一,却占有整个原子99.96%的质量,因此所有由原子组成的物质,从微观世界来看都是虚空的。

但要突破这个坚硬的电子外壳,在地球上几乎是不可能的,只有在强子对撞机里人工制造接近光速的粒子对撞下才能够突破。这种高速对撞也能制造强大压力,但地球上只能在微观粒子层面创造出这种压力,也可以说达到中子星物质层面的物质,但人眼是无法看到的,且转瞬即逝 。

而在中子星这种巨大重力下,原子就被压碎了,电子被压缩近原子核,这样物质密度就增加了几千亿到上万亿倍,因此就成为极端致密的物质。而在地球上,根本不可能形成这样巨大的压力,当然就不可能存在中子星这种密度物质了。

高度致密的天体质量越大体积越小,最终归于虚无

在中子星上超巨大重力的压榨下,我们认知的所有地球物质原子外壳都被压碎了,带负电的电子被压缩进了原子核里面,与带正电的质子中和成为中子,加上原有的中子,这样整个中子星星球就成为由中子组成的巨大原子核了,这就是中子星名字的来源。

中子星的密度达到原子核密度,甚至更高。因为这个原子核都是由中子组成,依靠中子与中子之间的简并压(相互排斥力)维持着星体的形状,这种现象叫泡利不相容原理,关于这个原理过去说过多次,今天就不展开说了。

一般来说,中子星质量越大,重力压力就越大,依靠中子简并压维持的星体就被压缩得越致密,因此体积就会越小。中子星通过强大引力会不断捕食附近天体和星际物质,质量不断增大,当质量达到太阳约3倍时,中子简并压就无力支撑自身重力了,会发生爆炸或迅速坍缩成为一颗黑洞。

黑洞的质量与体积关系遵循史瓦西半径原理。所谓史瓦西半径,是指任何物质都有一个自己质量的临界半径,只要缩小到这个临界半径里,就会无可奈何、无法逆反地成为一颗黑洞。

史瓦西半径公式为:R=2GM/C^2。这里的R为史瓦西半径值,G为引力常量,M为天体(或任意物体)质量,C为光速。

根据这个公式计算,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;而一个3倍太阳质量的中子星坍缩成黑洞后,史瓦西半径不到9000米。

根据黑洞理论,史瓦西半径不是黑洞的体积,只是黑洞质量在其自身周围形成的一个球形曲率空间,黑洞质量实体藏在黑洞核心一个体积无限小的奇点上。这个在我们世界已经虚无的奇点,在周围形成一个无限曲率,也就是无限引力的球形空间,这个球形空间就叫史瓦西半径。

但太阳和地球都不可能成为黑洞,因为没有这么大的压力把它们压进自己质量的史瓦西半径里。在宇宙中,只有约太阳质量3倍以上的中子星这种致密天体,才具备压缩成黑洞的重力,而恒星则需要30~40倍太阳质量,在死亡前发生超新星大爆炸才有可能形成黑洞。

任何物质一旦靠近并被吸进黑洞的史瓦西半径(又叫黑洞事件视界),就有去无回只能坠落到奇点里。这就是黑洞会吞噬宇宙一切物质,质量和事件视界变得越来越大的原因。这也是地球上无法存在中子星物质,更无法存在黑洞的原因。对此,各位有何见解?欢迎讨论,感谢阅读。

时空通讯原创版权,侵权抄袭是不道德的行为,敬请理解合作。