Как ИИ изменит нашу жизнь — в специальном проекте Naked Science!
Перейти
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
19 октября
КНЦ РАН
707

Найдена связь между плотностью благородных газов и металлов и соотношением между размерами их атомов и ядер

4.6

Один из важнейших параметров вещества — его плотность. Понять, что это такое, очень просто: при одном и том же объеме более плотное вещество имеет большую массу, чем менее плотное. Но вот от чего эта плотность зависит, пока не совсем ясно. Ведущий научный сотрудник Геологического института Кольского научного центра Феликс Горбацевич проанализировал отношения между параметрами атомов различных химических элементов и их плотностью.

Найдена связь между плотностью благородных газов и металлов и соотношением между размерами их атомов и ядер / ©Getty images

Результаты этого исследования опубликованы в журналах Scientific Israel ‒ Technological Advantages и «Инженерная физика». В самом общем приближении можно было бы сказать, что чем больше порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева, тем выше его плотность.

Основная характеристика элемента — его атомный вес, то есть среднее значение масс его изотопов, содержащих определенное количество протонов и нейтронов элемента. Массы протона и нейтрона очень близки: это 1,6723х10-27 кг и 1,6746х10-27 кг соответственно. Масса электрона на три с лишним порядка меньше: 9,108х10-31 кг.

Даже у тяжелых элементов (например, у свинца 82 электрона в атоме) они крайне незначительно влияют на атомный вес, определяющийся в итоге суммарной массой протонов и нейтронов в ядре. Однако число электронов на внешней оболочке, ее размер и форма определяют силу отталкивания атомов друг от друга, поэтому прямой зависимости между атомным весом элемента и его плотностью не существует.

Зависимость плотности благородных газов от суммы протонов и нейтронов в их ядрах / ©Пресс-служба КНЦ РАН

Но есть среди химических элементов группа, у которой количество протонов, нейтронов и электронов увеличивается пропорционально. Это группа благородных газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон. К этой же группе относится искусственно созданный короткоживущий элемент оганесон. Особенность их строения заключается в следующем: во внешней оболочке каждого, кроме гелия (у этого элемента всего оболочка, содержащая два электрона), содержится по восемь электронов, и строение остальных электронных оболочек в целом аналогично.

Благодаря сильному электрическому полю, создаваемому внешними электронами, атомы благородных газов с большой силой отталкиваются друг от друга, поэтому даже ксенон и радон с тяжелыми ядрами при атмосферном давлении и комнатной температуре остаются в газообразном состоянии.

Сопоставив значения плотности каждого благородного газа с суммой протонов и нейтронов в атомном ядре, ученый отметил, что с достоверностью R2 = 0,9998 существует прямо пропорциональная зависимость между числом протонов и нейтронов в ядре изотопа и плотностью газа. Подход, позволяющий найти связь между плотностью, внешним объемом атома и полным числом протонов и нейтронов в ядрах, он постарался распространить на вещества, состоящие из других атомов.

Распределение диаметров ядер атомов и значений плотности веществ / ©Пресс-служба КНЦ РАН

Основную часть таблицы Менделеева составляют металлы и полуметаллы. Их атомный вес и плотность неоднократно измерялись и приводятся в большом количестве публикаций. Исследователь проанализировал связь между атомным весом (А), плотностью (ρ), диаметром атома (Da) и диаметром ядра (Dn). Считая форму атома металла приближенной к сфере, он вычислил соотношение объема атома каждого элемента к объему его ядра (Vn/Va), равное пропорции кубов диаметров атома и ядра ((Dn)3/(Da)3), и выявил довольно четкую зависимость между этим соотношением и плотностью вещества. Она описывается уравнением ρ = 1,32х(Vn/Va)х10 exp14, г/см3 с коэффициентом линейной корреляции R2 = 0,958.

Эта строгая зависимость показывает, что плотность вещества напрямую зависит от массы ядра и объема, который занимают в пространстве крайние электронные оболочки атомов, и свидетельствует о плотной упаковке атомов металла. Отклонения от этой зависимости наблюдаются у полуметаллов и элементов, находящихся в интервальной зоне между металлами и неметаллами. Они могут быть вызваны несферичностью формы атомов или ослаблением сил между атомами.

Проведенный анализ в целом подтверждает вывод о том, что форма атома и ядра многих элементов близка к сферической, и устанавливает причинно-следственную связь между плотностью, массой ядра и размером атома. Он открывает возможность для оценки плотности более сложных веществ, состоящих из атомов разных элементов.  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
12 часов назад
Александр Березин

Глава Daimler Мартин Даум и Билл Гейтс в разное время, но вполне единодушно отмечали, что законы физики делают грузовую фуру — ключевой элемент современных перевозок — несовместимой с чистой электротягой. Многотонная батарея отнимает слишком много пространства и веса у коммерческого груза, поэтому проекты Tesla Semi Дауму и Гейтсу представлялись «непрактичными». А теперь Илон Маск наконец начал поставки этого грузовика — и просачивающиеся данные о его реальной массе показывают, что Гейтс и Даум ошибались. Как Маску удалось то, что все в один голос считали настолько невозможным, что никто даже не попытался составить ему конкуренцию? И почему это изменит мир вокруг нас?

3 декабря
Василий Парфенов

На «Заводе 42» компании Northrop Grumman в Палмдейле, штат Калифорния, прошла торжественная церемония выкатки новейшего стратегического бомбардировщика B-21 Raider. Малозаметный самолет должен в ближайшем будущем частично заменить устаревающий парк Rockwell B-1 Lancer и Northrop Grumman B-2 Spirit, и даже взять на себя ряд задач, которые выполняют совсем уж «старички» Boeing B-52 Stratofortress.

Сегодня, 09:22
Василий Парфенов

Аббревиатура ЖКХ хорошо знакома каждому россиянину. За ней скрывается целый спектр привычных образов. При этом цифровизация и применение искусственного интеллекта в этом контексте вспоминаются далеко не первыми. Сфера коммунальных услуг не чужда высоким технологиям, просто они не всегда заметны пользователю. Naked Science рассказывает, как искусственный интеллект, большие данные, нейросети и машинное обучение делают городскую инфраструктуру надежнее и эффективнее.

2 декабря
Алиса Гаджиева

Серию секретных рисунков и надписей, добавленных таинственной женщиной-переписчицей, обнаружили в рукописи возрастом более 1200 лет.

2 декабря
Анна Новиковская

Найти лекарство от старости — заветная мечта человечества, но вполне может оказаться, что для мужчин и для женщин их придется разрабатывать по отдельности. Во всяком случае, один из самых многообещающих антивозрастных препаратов, рапамицин, по-разному воздействовал на самцов и самок дрозофил, продлив жизнь одним и не повлияв на других.

3 декабря
Василий Парфенов

На «Заводе 42» компании Northrop Grumman в Палмдейле, штат Калифорния, прошла торжественная церемония выкатки новейшего стратегического бомбардировщика B-21 Raider. Малозаметный самолет должен в ближайшем будущем частично заменить устаревающий парк Rockwell B-1 Lancer и Northrop Grumman B-2 Spirit, и даже взять на себя ряд задач, которые выполняют совсем уж «старички» Boeing B-52 Stratofortress.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

24 ноября
Анна Новиковская

В то время как основные мировые языки со временем упрощают письменность, существует одно яркое исключение: китайский язык. За свою историю, насчитывающую три тысячелетия, его система письма становилась только сложнее и до сих пор остается крайне сложной для изучения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: