Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (4) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Плътност

Атомите или молекулите на всяко късче вещество се раздалечават едни от други при нарастването на температурата или поради някакви други причини и това води до намаляване на масата в един предварително фиксиран обем от това вещество. Ако атомите или молекулите се приближават едни към други, ще става обратното.

Количеството маса в даден обем дефинираме като плътност и от това следва, че при разширяването на веществото неговата плътност намалява, а при свиването му тя се увеличава.

Учените, използуващи метричната система, измерват масата в грамове, а обема — в кубични сантиметри. Грамът е една сравнително малка единица за маса, само около 1/28 унции, или 1/450 фунта. А що се отнася до кубичния сантиметър, той е равен на около 1/16 кубични инча.^[1]

За да имате представа за една нормална плътност, трябва да знаете, че един кубичен сантиметър вода има маса един грам. (Това не е съвпадение. Двете мерки още през 1790 г. били така подбрани, че да съвпадат една с друга точно по този начин.) Следователно можем да кажем, че плътността на водата е един грам на кубичен сантиметър, или съкратено — 1 g/cm³.

Промените в плътността не се получават само при разширяване и свиване. Различните, вещества имат различна плътност, което се дължи на самата същност на тяхната структура.

Газовете имат по-малки плътности от тези на течностите, тъй като те са образувани от отделни атоми или молекули, които слабо се привличат помежду си. Молекулите на течностите са в контакт една с друга, докато атомите или молекулите на газовете са много по-подвижни, удрят се взаимно и се разлитат встрани и така остават далеч едни от други. Голяма част от обема на газа се заема от празното пространство между атомите или молекулите.

Например водородът, изследван при обикновена температура и налягане на Земята, ще има плътност около 0,00009 g/cm³ (или 9 X 10^–5 g/cm³). Плътността на водата в течно състояние е малко повече от 11 000 пъти по-висока от тази на газообразния водород.

Плътността на водорода би станала още по-малка, ако молекулите на водорода (или отделните му атоми) продължат да се раздалечават. В космическото пространство например има толкова малко вещество, че там на всеки кубичен сантиметър средно се пада само по един атом водород. В този случай плътността на средата в космическото пространство е от порядъка на 0,0000000000000000000000017 g/cm³ — наистина извънредно малка. Плътността на водата е около 600 милиарда трилиона пъти по-голяма от плътността на средата в космическото пространство.

Различните газове се различават по плътност. При еднакви условия атомите или молекулите, които образуват газовете, са разделени от еднакво големи празни пространства. Затова плътността зависи от масата на отделните атоми или молекули. Ако от два газа единият е образуван от молекули с три пъти по-голяма маса от тази на другия, то плътността на първия ще бъде три пъти по-голяма от плътността на втория.

Например урановият хексафлуорид е газ, чиито молекули имат особено голяма маса. Всяка негова молекула се образува от един уранов атом и шест атома флуор и като цяло е 176 пъти по-масивна от водородната молекула, която има два атома водород. Урановият хексафлуорид е течност, която преминава в газообразно състояние при съвсем слабо нагряване, а плътността на съответния газ е около 0,016 g/cm³. Плътността на водата в течно състояние е само 62,5 пъти по-голяма от плътността на този газ.

При все това газовете, дори урановият хексафлуорид, представляват почти празно пространство. Ако такъв газ се свие — например в добре изолиран съд, стените на който след това се приближат — то молекулите на газа се приближават една към друга и плътността се увеличава.

Същият ефект — дори по-добър — ще се получи, ако температурата се понижи. Молекулите на газа се приближават една към друга и при някаква достатъчно ниска температура газът се втечнява и молекулите установяват постоянен контакт.

Ако водородът се охлади до много ниски температури, той не само се втечнява, но при 14 градуса над абсолютната нула се и втвърдява. Молекулите не само влизат в съприкосновение, но повече или по-малко остават в определени места, от което следва, че получилото се вещество сега е твърдо тяло.

Твърдият водород е веществото с най-малка плътност сред твърдите вещества в природата. Плътността му е 0,09 g/cm³, което е само една десета от плътността на водата в твърдо състояние. Обаче твърдият водород, макар и с ниска плътност, е все още повече от пет пъти по-плътен от много плътния газообразен уранов хексафлуорид.

Изобщо плътността на течностите и на твърдите тела се увеличава с увеличаването на масата на отделните атоми и молекули, от които те са изградени. Твърдо тяло, което е съставено от масивни атоми, обикновено има по-голяма плътност от твърдо тяло с по-малко масивни атоми. Обикновено, но невинаги. Тук положението е по-сложно, отколкото при газовете.

Сравнителната маса на различните атоми се дава от числов известно като атомно тегло. Атомното тегло на водорода е приблизително 1, така че атомното тегло на който и да е друг атом дава приблизителна представа за това, колко пъти този атом е по-тежък от водородния. Например атомът на алуминия има атомно тегло около 27, а атомът на желязото — около 56. Атомът на желязото има маса колкото 56 водородни атома и е малко повече от два пъти по-масивен от атома на алуминия.

Обаче плътността на желязото е около 7,85 g/cm³, а плътността на алуминия е 2,7 g/cm³. Плътността на желязото е почти три пъти по-голяма от тази на алуминия.

Щом желязото е изградено от атоми, които са два пъти по-масивни от атомите на алуминия, то защо желязото е три пъти по-плътно, а не само двойно?

Отговорът е в това, че оказват влияние и други фактори. Например какво пространство от съответния атом заемат електроните и колко е компактна подредбата на атома. Атомите, чиито електрони са много отдалечени от централното ядро, имат по-малка плътност от тази, която се очаква според масата, съсредоточена в малкото ядро. Електроните представляват почти празно пространство и ако те са разпръснати и заемат по-голям обем, то плътността намалява.

Така цезият с атомно тегло 132,91 има плътност само 1,873 g/cm³, защото неговите електрони заемат много място. Много по-компактните атоми на медта, чието атомно тегло е 63,54 и е по-малко от половината от това на цезия, водят до плътност на медта 8,95 g/cm³ — почти пет пъти по-голяма от плътността на цезия.

Ако сега поискате да узнаете кое е веществото с най-голямата известна плътност, то трябва да обърнете поглед към по-масивните атоми, но не задължително към най-масивните. Елементът с най-масивни атоми, който съществува в естествени условия, е уранът с атомно тегло 238,07. Неговата плътност е 18,68 g/cm³ — двойно повече от тази на медта, но тя все пак не е рекордна в природата. Има поне още четири елемента с по-голяма плътност. Наред с урана те са дадени в таблица 3 по реда на нарастването на плътността им.

Редкият метал осмий държи рекорда. Той е от елементите, които образуват земната кора и могат да се добият от нея. Това е най-плътният елемент. Представете си един слитък от чист осмий с размерите на доларова банкнота, дебел 2,54 cm (един инч). Това не е голям слитък, но той ще тежи 5,85 kg.