问题

宏观意义上能人工制造的密度最大的物质是什么?

回答
在宏观尺度上,我们能人工制造的密度最大的物质,那非奥斯锇(Osmium)莫属了。当然,这里说的“宏观”是要和原子核内部那种极高的密度区分开来。原子核里的质子和中子挤在一起,密度简直无法想象,那是属于粒子物理的范畴,我们作为宏观实体,接触不到那种状态。

所以,咱们就聚焦在我们可以触摸、观察、甚至制造出来的物质上。

你可能听过钨,那是挺沉的,灯泡里用的就是它。还有金,也觉得很重。但如果真的要比个高下,奥斯锇才是那个“密度之王”。

为什么奥斯锇这么重?

这其实跟它的原子结构和排列方式有关。你可以想象一下,一个原子就是一个小小的原子核,外面绕着电子。原子核里质子和中子越多,原子就越重。而奥斯锇在元素周期表里,正好位于一个密度非常高的区域。

原子量大: 奥斯锇的原子量很大,这意味着它的原子核里有大量的质子和中子。它排在元素周期表中的第76位,原子序数是76,意味着它的原子核有76个质子。再加上中子,整个原子核的“份量”就相当可观了。
原子半径小: 还有一个关键点,就是奥斯锇的原子半径相对较小。虽然它的原子核很重,但它把这些“重家伙”包装得非常紧实。你可以理解成,它就像是一个能量很足、体积却很小的“小宇宙”。
紧密的晶体结构: 在固体状态下,奥斯锇的原子会以一种非常紧密的方式排列,形成一个规则的晶体结构。这种排列方式最大限度地利用了空间,把原子“挤”在一起,减少了它们之间的空隙。就像你堆积沙子和堆积石块一样,石块虽然单个重,但如果能堆得紧密,整体密度也会很高。奥斯锇的原子就像是那种非常规整、能堆出极高密度的“微小石块”。

奥斯锇的密度到底有多大?

它的理论密度大约在 每立方厘米22.59克(22.59 g/cm³)。

稍微打个比方,你拿一立方厘米的奥斯锇,它的重量大概相当于:

一立方厘米的金(大约19.32 g/cm³)要重将近17%。
一立方厘米的钨(大约19.25 g/cm³)要重将近17%。
一立方厘米的水(1 g/cm³)要重22倍多!

想象一下,你手里拿着一块只有火柴头那么大的奥斯锇,掂量一下,它可能就已经和一小块金砖差不多重了。

人工制造与应用

虽然奥斯锇的密度是它最显著的特点,但要“人工制造”它,其实更准确的说法是“提炼”和“加工”。奥斯锇在地壳中的含量非常稀少,它通常是从一些铂族金属的矿石中提取出来的,比如铂、钯、铑等。提炼过程非常复杂,成本也很高。

因为密度太大,而且奥斯锇本身比较坚硬、耐腐蚀,所以它有一些特殊的用途:

合金: 纯奥斯锇非常脆,所以我们通常不会用纯奥斯锇。它经常与其他铂族金属(如铂、铱)形成合金,来制造一些高要求的部件。
高精度仪器: 它的高密度和硬度使得它非常适合用于制造一些需要极高稳定性和精确性的仪器,比如某些特定的电子元件、触点,甚至是某些高端的笔尖(虽然现在已经比较少见了)。
耐磨损部件: 在一些需要极强耐磨损性的地方,奥斯锇合金也有一席之地。

为什么我们不常常谈论奥斯锇?

你可能会问,既然它这么“牛”,为什么不像黄金、铂金那样随处可见?原因很简单:

1. 稀有: 如前所述,奥斯锇在地壳中的储量极其稀少。
2. 昂贵: 稀有加上复杂的提炼过程,使得奥斯锇的价格非常昂贵,远超黄金。
3. 毒性: 纯奥斯锇本身相对稳定,但奥斯锇的氧化物(如四氧化锇)具有剧毒,并且对眼睛和呼吸道有强烈的刺激作用。这使得在加工和使用过程中需要非常谨慎。

所以,虽然在宏观世界里,奥斯锇是人工可得物质的密度冠军,但它的“王权”是建立在稀有、昂贵和一些应用上的限制之上的。它就像是一个隐藏在深闺的绝世高手,实力超群,但不是人人都能轻易见到的。

网友意见

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人工制造出的密度最大的物质是“夸克-胶子等离子体”物质。


地球上自然存在的密度最大的物质是锇,密度为22.6g/cm3,如下:

锇只是在自然界稳定存在的元素里密度最大的,如果要考虑人造元素,那么密度最大的将是108号元素——钅黑(hassium),之所以叫做这个名字是纪念德国黑森省,因为达姆斯塔特研究所位于黑森省。

1984年,德国人一锤定音,用铁离子照射铅,得到了108号元素的3个原子,并测出钅黑265这种同位素的半衰期是80毫秒。现在我们认识到,钅黑最稳定的同位素为钅黑269。

预计这种元素单质的密度为40.9。

2011年,德国黑森省庆祝108号元素的命名。

排名第二的可能是109号元素钅麦(以女科学家迈特纳命名),密度为37.4。

错过诺奖,却将自己的名字刻在元素周期表上的女科学家——迈特纳。

锇也好,人造元素也好。毕竟只是常见形态的物质里密度最大的,到了宇宙中那就不是一个级别了,我们已经发现了固态、液态、气态、等离子态以外形态的物质,比如超固态的白矮星,

BPM 37093,这颗已经成为白矮星的星球内部核心大部分都是钻石,质量超过500亿亿亿吨,天文学家亲切的称它为“露西”

还有中子态的中子星,和原子核的密度相当,约为8000万-20亿吨/立方厘米。

甚至黑洞。

这些形态的密度都是我们难以想象的。


我们人类已经建造了大型强子对撞机,比如布鲁克哈芬国家实验室的相对论性重离子对撞机(RHIC),瑞士的大型强子对撞机(LHC)等,有人会担心其中可能产生微型黑洞。但这个担心似乎多余,迄今为止还没有人类成功创造出的黑洞。

但RHIC和LHC都曾经成功创造出一种叫夸克-胶子等离子体的物质,它更为人所知的名字是“夸克汤”。它的密度比中子星还大,一立方厘米就有400亿吨重,只有在超高温和高压下才能存在。

2000年,RHIC的科学家们宣布,他们通过以接近光速的速度碰撞金离子,其温度达到了4万亿摄氏度,其中就创造出了夸克-胶子等离子体。

好汤好味道

据信,在大爆炸之后的20-30毫秒,宇宙就处于夸克-胶子等离子态,所以这个时代也叫作“夸克时代”。

暴胀(Inflation)后就进入夸克时代,看到夸克汤(Quark soup)了吗?

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