Чем атомная масса отличается от плотности и почему материя нейтронных звёзд не является обычным веществом.
Три разных вопроса
«Тяжёлое вещество» может означать элемент с самым тяжёлым ядром, материал с наибольшей плотностью или объект с огромной массой. Это разные характеристики. Масса образца зависит от количества вещества, а плотность — от массы в единице объёма.
Среди стабильных при обычных условиях элементов одними из самых плотных являются осмий и иридий — около 22,6 г/см³. Небольшая разница зависит от температуры, чистоты и справочных данных, поэтому абсолютный бытовой рекорд не имеет большого смысла.
Тяжёлые ядра
Оганесон имеет наибольший порядковый номер среди подтверждённых элементов — 118. Его ядра искусственно получают по отдельности, они быстро распадаются, и создать кусок вещества для измерения обычной плотности нельзя. Больший атомный номер не означает большую плотность материала.
Уран — самый тяжёлый элемент, встречающийся в природе в значимых количествах, но он менее плотен, чем осмий. Трансурановые элементы производят искусственно, хотя следовые количества некоторых могут возникать естественно.
Материя нейтронных звёзд
В ядре нейтронной звезды средняя плотность сопоставима с плотностью атомных ядер. Чайная ложка такой материи в земных условиях — некорректный образ: давление звезды удерживает состояние, которое не сохранится после извлечения.
Состав глубин точно не известен. Возможны сверхтекучие нейтроны, протоны, гипероны или кварковая материя; наблюдения масс, радиусов и слияний ограничивают модели уравнения состояния.
Как измеряют плотность
Плотность равна массе, делённой на объём. Для твёрдых тел значение зависит от кристаллической структуры, температуры, давления и примесей. Таблицы могут по-разному ранжировать осмий и иридий из-за малой разницы и методов. Вольфрам узнаваем тяжестью, но его плотность ниже обоих.
Атомный номер и масса атома
Порядковый номер — число протонов. Массовое число конкретного изотопа — сумма протонов и нейтронов. Относительная атомная масса табличного элемента усредняет природные изотопы. Ни одна из этих величин напрямую не задаёт, насколько плотно атомы упакованы в кристалле.
Сверхтяжёлые элементы
Оганесон синтезируют в реакциях тяжёлых ядер и идентифицируют по цепочке распада. Получены считанные атомы, поэтому макроскопические свойства основаны на расчётах. Остров стабильности — предсказанная область более долгоживущих ядер, но не найденный кусок вечного сверхтяжёлого металла.
Белые карлики
В белом карлике вещество удерживает давление вырожденных электронов. Средняя плотность намного выше земных материалов, но ниже нейтронной звезды. При массе около предела Чандрасекара такое состояние теряет устойчивость; дальнейшая судьба зависит от состава и окружения.
Нейтронная звезда
После коллапса массивной звезды протоны и электроны в значительной мере превращаются в нейтроны и нейтрино. Кора содержит ядра и электроны, глубже ядра растворяются в почти однородной материи. В самом центре состав неизвестен, и слово «нейтроний» не обозначает обычный стабильный химический элемент.
Плотность чёрной дыры
У чёрной дыры нет материала с однозначной средней плотностью в классическом бытовом смысле. Если разделить массу на объём внутри горизонта, результат для более массивных дыр может быть меньше, но это условное вычисление. Сингулярность общей относительности указывает на предел теории, а не на образец вещества.
Давление важнее привычной ёмкости
Экстремальная материя существует благодаря огромному давлению и гравитации. После переноса в земные условия она не сохранила бы исходную фазу: равновесие определяется окружением. Поэтому сравнение «кубика» осмия и «ложки» нейтронной звезды на одном столе физически некорректно, хотя помогает почувствовать порядок плотности.