Was ist die dichteste Substanz auf der Erde?

Wenn wir über die dichteste Materie im Universum sprechen, ist die höchste Dichte natürlich das Schwarze Loch, die Dichte der Singularität in seinem Kern ist unendlich, was bedeutet, dass sie unermesslich ist; Der zweite ist der Neutronenstern mit einer Dichte von 1 bis 2 Milliarden Tonnen/cm^3.

Diese Substanzen können auf der Erde nicht existieren. Wenn das der Fall wäre, könnten wir nicht existieren.

Die Dichte der Erde ist geschichtet, je tiefer das Material, desto größer die Dichte

Der Aufbau der Erde besteht im Allgemeinen aus drei Schichten, nämlich Kruste, Mantel und Kern; Zählt man Luft und Meerwasser hinzu, gibt es fünf Schichten, nämlich Atmosphäre, Hydrosphäre, Kruste, Mantel und Kern; Bei weiterer Unterteilung kann der Mantel in den oberen und den unteren Mantel und der Kern in den äußeren Kern (Flüssigkeitsschicht), die Übergangsschicht und den inneren Kern unterteilt werden.

Beginnen wir nun mit der Atmosphäre und sprechen Schicht für Schicht über die Dichte der Materie. Die Atmosphäre ist die Luftschicht. Bei 0 °C beträgt der Luftdruck auf Meereshöhe 1 Atmosphäre und die Luftdichte 1,293 kg/m^3 (Kilogramm pro Kubikmeter). Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck und die Luftdichte wird geringer.

Der höchste Gipfel der Erde, der Mount Everest, liegt 8.848,86 Meter über dem Meeresspiegel. Der Luftdruck beträgt dort etwa 30 % des Luftdrucks auf Meereshöhe. Bei gleichen Temperaturen sind Luftdruck und Luftdichte direkt proportional, sodass die Luftdichte dort etwa 30 % der Luftdichte auf Meereshöhe beträgt.

Aus der Perspektive gasförmiger Substanzen gilt: Je höher der Druck, desto höher die Dichte der Substanz. Tatsächlich gilt das Gleiche auch für andere Formen von Materie. Je höher der Druck, desto höher die Dichte der Substanz. Wenn Sie von der Oberfläche nach unten gehen, wird der Druck immer höher und damit auch die Dichte der Materie immer höher.

Der Wasserdruck steigt mit der Tiefe und erhöht sich pro 10 Metern Tiefe um eine Atmosphäre. Daher beträgt die Wassertiefe im Marianengraben, dem tiefsten Teil der Ozeane der Erde, 12.000 Meter und der Wasserdruck 1.200 Atmosphären. Die Dichte des Wassers hängt jedoch stärker mit der Temperatur zusammen. Seine Dichte ist bei 4 Grad Celsius am höchsten und beträgt etwa 999,972 kg/m^3. Im Allgemeinen wird 1 g/cm^3 (Gramm pro Kubikzentimeter) verwendet.

Unter dem üblichen Druck auf der Erde nimmt die Dichte des Wassers ab, wenn die Temperatur steigt oder fällt, und der allgemeine Druck hat wenig Einfluss auf die Dichte des Wassers. Aus diesem Grund erfand man die hydraulische Presse, um Gerätekomponenten durch die Übertragung von starkem Druck durch Wasser zu schmieden.

Die Dichte des Meerwassers hängt eng mit seinem Salzgehalt zusammen und liegt im Allgemeinen zwischen 1,02 und 1,07 g/cm^3. Da der allgemeine Wasserdruck nur geringe Auswirkungen auf die Dichte des Wassers hat, gibt es selbst am Grund des Marianengrabens, dem tiefsten Punkt der Erde, keine nennenswerten Änderungen der Wasserdichte.

Die durchschnittliche Dichte der Erdmaterialien beträgt 5,518 g/cm^3. Mit Ausnahme von Wasser ist die Dichte anderer Materialien in unterschiedlichen Tiefen unterschiedlich.

Die Kruste besteht hauptsächlich aus Gesteinen mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 35 Kilometern und einer durchschnittlichen Materialdichte zwischen 2,6 und 2,9 g/cm^3; der obere Mantel liegt unter der Kruste, etwa 980 Kilometer über der Oberfläche, mit einer Materialdichte zwischen 3,2 und 3,6 g/cm^3; Der untere Mantel liegt zwischen 980 und 2.900 Kilometern von der Oberfläche entfernt und hat eine Materialdichte zwischen 5,1 und 5,6 g/cm^3.

Der äußere Kern liegt zwischen 2.900 und 4.700 Kilometern von der Oberfläche entfernt und hat eine Materialdichte von 10,0 bis 11,4 g/cm³. die Übergangsschicht liegt zwischen 4.700 und 5.100 Kilometern von der Oberfläche entfernt und hat eine Dichte von etwa 12,3 g/cm^3; Der innere Kern liegt zwischen 5.100 und 6.371 Kilometern von der Oberfläche entfernt und hat eine Dichte von etwa 12,5 g/cm^3.

Der Ort mit dem höchsten Druck auf der Erde ist der Kern, der etwa 3,6 Millionen Atmosphären beträgt, was dem 0,000012-fachen der 300 Milliarden Atmosphären des Sonnenkerns oder etwa dem 1,2-fachen von 100.000 entspricht; und verglichen mit den 10^28 Atmosphären des Kerns eines Neutronensterns beträgt er nur 3,6 Teile pro Milliarde.

Daher befindet sich das dichteste Material der Erde tief im Kern, nämlich etwa 12,5 Tonnen pro Kubikmeter. Dies ist jedoch die durchschnittliche Dichte der Materie in unterschiedlichen Tiefen, und die Dichte variiert von Element zu Element.

Dichte verschiedener Elemente der Erde

Generell lässt sich sagen, dass die Materie der Erde in fünf Zustände unterteilt ist: Gas, Flüssigkeit, Feststoff, Plasma und Bose-Einstein-Kondensat. Im Allgemeinen ist die Dichte normaler Materie im gasförmigen Zustand am geringsten, gefolgt vom flüssigen Zustand, und die Dichte des festen Zustands ist am größten. Natürlich gibt es Ausnahmen. Kork ist beispielsweise ein Feststoff und hat eine geringere Dichte als Flüssigkeit.

Der Plasmazustand ist ein Phänomen, bei dem die Elektronen in den Atomen einer Substanz in einer Umgebung mit hoher Temperatur oder hohem Druck teilweise ausgestoßen werden, wodurch die Kerne und Elektronen getrennt werden, sie aber auch eng miteinander zu Clustern vermischt werden. Die Sonne ist eine riesige Plasmakugel, die sich in Phänomenen wie heißen Flammen, Blitzen, Lichtbögen und dem Zünden von Leuchtstofflampen zeigt. Bose-Einstein-Kondensat ist eine besondere Eigenschaft von Materie unter künstlichen Bedingungen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C). Auf diese beiden Materieformen gehen wir heute nicht näher ein.

Der Mensch hat 118 Elemente entdeckt. In Bezug auf die Dichte haben Metallelemente die höchste Dichte. Die Dichte einiger gängiger Metallelemente beträgt (g/cm^3): Eisen 7,87, Kupfer 8,96, Silber 10,5, Blei 11,34, Quecksilber 13,55, Gold 18,88, Wolfram 19,3, Platin 21,45, Iridium 22,42 und Osmium 22,48.

Das Element mit der derzeit höchsten Dichte ist Osmium mit dem Elementsymbol Os, seiner Ordnungszahl 76, seiner relativen Atommasse 190,23, seinem Schmelzpunkt von 3045 °C und seinem Siedepunkt über 5027 °C. Dabei handelt es sich um ein graublaues Metall, das extrem hart, aber spröde ist und sich im Mörser zerkleinern lässt. Zerkleinertes Osmiumpulver ist bläulich-schwarz und kann sich selbst entzünden. Sein Dampf ist hochgiftig und reizt die menschlichen Augen stark, was in schweren Fällen zur Erblindung führen kann.

Osmium ist ein extrem seltenes Metall mit sehr geringen Reserven. Es ist auch in anderen Mineralvorkommen verteilt. Die Gesamtmenge an Osmium, die jährlich weltweit verfügbar ist, wird in Kilogramm gemessen.

Da die Vorkommen mancher Elemente zu gering sind oder sie unter natürlichen Bedingungen äußerst instabil sind, werden 26 der 118 vom Menschen entdeckten Elemente künstlich gewonnen. Diese künstlichen Elemente werden in Kollidern unter extremen Bedingungen „kollidiert“. Die Mengen sind extrem gering und bestehen teilweise nur aus wenigen Atomen. Beispielsweise wurden nur drei Atome des Elements 118 Og erhalten, und diese waren flüchtig. Erst durch die Entdeckung mit Präzisionsinstrumenten wurde die Existenz dieses Elements bestätigt und von der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft anerkannt.

Das künstliche Element schwarzes Styrol (ausgesprochen „schwarz“) mit dem chemischen Symbol Hs, der Ordnungszahl 108 und der relativen Atommasse 265 ist ein Übergangsmetall und mit einer Dichte von etwa 40,9 g/cm^3 das bislang dichteste Element. Die Halbwertszeit dieses Elements beträgt nur eine halbe Millisekunde. 1 Sekunde entspricht 1000 Millisekunden. Wie lang ist eine halbe Millisekunde? Daher kann es in der Natur überhaupt nicht existieren. ,

Auf der Erde ist der Stoff mit der wahrscheinlich höchsten Dichte das Element Thallium. Diese Elemente sind im Vergleich zur Dichte der speziellen Himmelsmaterie im Universum so winzig, dass sie unvergleichlich sind.

Warum kann es auf der Erde keine Materie mit extrem hoher Dichte wie Neutronensterne geben?

Dies liegt daran, dass die Masse der Erde zu gering ist – sie beträgt nur ein 330.000stel der Masse der Sonne – und ihr Volumen mit einem Radius von 6.371 Kilometern sehr groß ist. Sie sollten wissen, dass die Masse eines Neutronensterns mindestens das 1,44-fache der Sonnenmasse beträgt und sein Radius nur 10 bis 20 Kilometer beträgt. Das heißt, die Masse eines Neutronensterns beträgt mindestens das 470.000-Fache der Masse der Erde, während sein Radius nur 1/637 bis 1/318 des Erdradius beträgt und sein Volumen nur etwa 1/10 Million bis 1/100 Million des Erdvolumens beträgt.

Nach Newtons Gravitationsgesetz ist die Stärke der Schwerkraft proportional zur Masse und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, was wie folgt ausgedrückt werden kann: F=GMm/r^2. Daraus lässt sich ersehen, dass die Gravitationskraft (auch Raumzeitkrümmung genannt) umso größer ist, je größer die Masse eines Planeten und je kleiner sein Volumen ist.

Nach diesem Gesetz können wir die Formel zur Berechnung der Gravitationsbeschleunigung von Himmelskörpern erhalten: g=GM/R^2 oder die Gravitationsformel G=mg. Hier steht g für die Erdbeschleunigung mit der Einheit m/s^2 (Meter/Quadratsekunde); G ist die Gravitationskonstante; M ist die Masse des Himmelskörpers in der Einheit kg (Kilogramm); R ist der Abstand vom Schwerpunkt des Himmelskörpers in der Einheit m.

Basierend auf dieser Formel können wir einfach die Erdbeschleunigung g≈9,8m/s^2 (Meter/Quadratsekunde) berechnen, die auch als Schwerkraft g≈9,8N/kg (Newton/Kilogramm) verstanden werden kann. Wir berechnen einfach, dass für einen Neutronenstern mit einem Radius von 20 Kilometern und einer Masse von 1,44 Sonnenmassen die Schwerkraft g≈480,24 Milliarden N/kg beträgt, was etwa dem 49-Milliarden-Fachen der Schwerkraft der Erde entspricht; Wenn die Masse dieses Neutronensterns dreimal so groß ist wie die der Sonne und sein Radius nur 10 Kilometer beträgt, dann beträgt die Schwerkraft g≈400,2 Milliarden N/kg, was etwa dem 408,4 Milliardenfachen der Schwerkraft der Erde entspricht.

Alle Materie auf der Erde besteht aus Atomen, und Atome haben eine harte Außenschale aus Elektronen. Der Atomkern verbirgt sich im Inneren des Atoms und nimmt nur Hundertmilliarden bis Billionstel des Volumens des Atoms ein, macht aber 99,96 % der Masse des gesamten Atoms aus. Daher ist alle aus Atomen bestehende Materie aus der Perspektive der mikroskopischen Welt leer.

Allerdings ist es auf der Erde nahezu unmöglich, diese harte Elektronenhülle zu durchbrechen. Dieser kann nur durchbrochen werden, indem in einem Hadronenbeschleuniger künstlich Teilchenkollisionen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erzeugt werden. Diese Hochgeschwindigkeitskollision kann ebenfalls starken Druck erzeugen, doch auf der Erde kann dieser Druck nur auf der Ebene mikroskopischer Partikel entstehen, oder man kann sagen, er erreicht die Ebene der Neutronensternmaterie, ist jedoch für das menschliche Auge unsichtbar und flüchtig.

Unter der enormen Schwerkraft eines Neutronensterns werden Atome zerquetscht und Elektronen in der Nähe des Kerns komprimiert, sodass die Dichte der Materie um das Hundertmilliarden- bis Billionsfache zunimmt und es sich um extrem dichte Materie handelt. Auf der Erde ist es jedoch unmöglich, einen so großen Druck aufzubauen, und natürlich ist es auch unmöglich, dass dort dichte Materie wie Neutronensterne existiert.

Je größer die Masse eines sehr dichten Himmelskörpers ist, desto kleiner ist sein Volumen und desto eher löst er sich schließlich wieder ins Nichts auf.

Unter dem Druck der extrem hohen Schwerkraft auf den Neutronenstern werden die Atomhüllen aller uns bekannten Erdmaterie zerstört, die negativ geladenen Elektronen werden in den Atomkern komprimiert und mit den positiv geladenen Protonen neutralisiert, um zu Neutronen zu werden. Zusammen mit den ursprünglichen Neutronen wird der gesamte Neutronensternplanet zu einem riesigen Atomkern, der aus Neutronen besteht. Daher stammt auch der Name des Neutronensterns.

Die Dichte eines Neutronensterns erreicht die eines Atomkerns oder ist sogar noch höher. Da der Atomkern aus Neutronen besteht, wird die Form des Sterns durch den Entartungsdruck (gegenseitige Abstoßung) zwischen den Neutronen aufrechterhalten. Dieses Phänomen wird als Pauli-Ausschlussprinzip bezeichnet. Dieses Prinzip wurde in der Vergangenheit bereits oft erwähnt, daher werde ich heute nicht näher darauf eingehen.

Generell gilt: Je größer die Masse eines Neutronensterns, desto größer der Gravitationsdruck, desto dichter wird der durch den Entartungsdruck der Neutronen aufrechterhaltene Sternkörper komprimiert und desto kleiner ist daher sein Volumen. Neutronensterne werden durch ihre starke Schwerkraft ständig nahe Himmelskörper und interstellare Materie angreifen und ihre Masse wird weiter zunehmen. Wenn ihre Masse etwa das Dreifache der Sonnenmasse erreicht, kann der Entartungsdruck der Neutronen ihre eigene Schwerkraft nicht mehr aufrechterhalten und sie explodieren oder kollabieren schnell zu einem schwarzen Loch.

Die Beziehung zwischen Masse und Volumen eines Schwarzen Lochs folgt dem Schwarzschild-Radiusprinzip. Der sogenannte Schwarzschildradius besagt, dass jede Materie einen kritischen Radius ihrer eigenen Masse hat. Solange es auf diesen kritischen Radius schrumpft, wird es unvermeidlich und unumkehrbar zu einem schwarzen Loch.

Die Formel für den Schwarzschild-Radius lautet: R=2GM/C^2. Dabei ist R der Schwarzschildradius, G die Gravitationskonstante, M die Masse des Himmelskörpers (oder eines beliebigen Objekts) und C die Lichtgeschwindigkeit.

Nach dieser Formel beträgt der Schwarzschildradius der Sonne etwa 2952 Meter und der Schwarzschildradius der Erde etwa 8,8 Millimeter; und nachdem ein Neutronenstern mit der dreifachen Masse der Sonne zu einem Schwarzen Loch kollabiert ist, beträgt der Schwarzschildradius weniger als 9000 Meter.

Gemäß der Theorie der Schwarzen Löcher ist der Schwarzschildradius nicht das Volumen des Schwarzen Lochs, sondern ein sphärischer Krümmungsraum, der durch die Masse des Schwarzen Lochs um sich herum gebildet wird. Die Masse des Schwarzen Lochs ist in einer unendlich kleinen Singularität im Kern des Schwarzen Lochs verborgen. Diese Singularität, die in unserer Welt bereits existiert, bildet um sich herum einen sphärischen Raum mit unendlicher Krümmung, das heißt unendlicher Schwerkraft. Dieser sphärische Raum wird Schwarzschildradius genannt.

Aber weder die Sonne noch die Erde können zu schwarzen Löchern werden, weil der Druck nicht ausreicht, um sie auf den Schwarzschildradius ihrer eigenen Masse zu quetschen. Im Universum verfügen nur dichte Himmelskörper wie Neutronensterne mit einer Masse von etwa der dreifachen Sonnenmasse über die nötige Schwerkraft, um sich zu einem Schwarzen Loch zu komprimieren. Sterne hingegen benötigen eine 30- bis 40-fache Sonnenmasse und müssen vor ihrem Tod eine Supernova-Explosion erleben.

Sobald sich Materie dem Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs (auch Ereignishorizont des Schwarzen Lochs genannt) nähert und in diesen hineingesaugt wird, gibt es keinen Weg zurück und die Materie kann nur noch in die Singularität fallen. Aus diesem Grund verschlingen Schwarze Löcher die gesamte Materie im Universum und ihre Masse und ihr Ereignishorizont werden immer größer. Dies ist auch der Grund, warum auf der Erde keine Neutronensternmaterie existieren kann, geschweige denn schwarze Löcher. Was denken Sie darüber? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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