Самый тяжелый элемент во вселенной: Вселенная и тяжёлый металл / Хабр |

Содержание

Вселенная и тяжёлый металл / Хабр

Нам приписывают рождение чего-то вроде тяжёлого металла. Если это так, то нам срочно надо сделать аборт.

— Джинджер Бэйкер, основатель британской рок-группы Cream

Посмотрите вокруг себя. Внимательно оглядитесь вокруг. На всё, что вас окружает – камни, деревья, горы, небо, облака, Солнце, воду, всё живое.

Из чего всё это состоит?

На фундаментальном уровне всё, известное вам, всё, находящееся на Земле, состоит из атомов. Водород, углерод, азот, кальций, железо, золото, и т.п. Все элементы Вселенной комбинируются множеством различных способов для получения всего, что мы можем наблюдать во Вселенной. А если мы заглянем в суть предметов, мы увидим то самое, что придаёт каждому атому его особенные свойства.

И, как ни удивительно, это будет просто количество протонов в ядре атома. И всё многообразие существующих в нашем мире вещей может существовать только потому, что в мире существует изобилие различных элементов, от водорода до урана и дальше.

Но все эти элементы не всегда существовали. И, конечно же, их не всегда было так много, как сегодня. К примеру, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная охладилась достаточно, чтобы в ней произошли все ядерные реакции, которые могли произойти при существовавших условиях. И мы можем сказать, какие элементы находились в тот момент во Вселенной.

Как это ни странно, но Вселенная (по массе) состоит на 76% из водорода, на 24% из гелия, и не более чем на 0,0000001% из всех остальных элементов, вместе взятых. Вселенная без проблем остывала и порождала нейтральные атомы, но поскольку в ней появились только водород с гелием и пренебрежимо малое количество иных атомов, остаётся только удивляться, глядя на то, что у нас есть сегодня.

Откуда же всё это взялось? Все имеющиеся сегодня элементы появились, и появляются до сих пор одним способом: в звёздах.

Наше Солнце, как и большинство звёзд, в ходе ядерного синтеза превращает водород в гелий, и именно это питает наше светило. Но самые тяжёлые, массивные звёзды жгут своё топливо гораздо быстрее. А когда они сжигают весь водород, то получившийся гелий они превращают в углерод, а потом в азот, кислород, неон и натрий, а потом в кремний и серу, а потом в железо, никель, кобальт и медь.

До этого этапа доходят звёзды, масса которых превышает солнечную минимум в восемь, а то и в сотни раз. Нашему Солнцу потребуется порядка десяти миллиардов лет для того, чтобы сжечь всё его топливо. А более массивные звёзды горят от десятков миллионов до всего лишь десятков тысяч лет до тех пор, пока у них в ядре не кончится топливо! И следующий этап получается весьма зрелищным.

Звезда превращается в сверхновую, и испускаемой ею энергии хватает на создание всех элементов Вселенной, причём в огромном количестве.

На видео показано, как эти элементы разлетаются и попадают во Вселенную. С точки зрения чистого водорода и гелия можно сказать, что они «загрязняют» Вселенную. Но если вам нравится обилие всех этих тяжёлых металлов и других элементов во Вселенной, вы можете сказать, что они обогащают её.

В некоторых регионах, богатых в прошлом звёздами большой массы – особенно там, где сменилось уже множество поколений звёзд – можно найти огромное количество металлов. Именно такая картина наблюдается в том участке космоса, где находится Солнце. Ведь в нём есть огромное количество спектральных линий поглощения, однозначно определяющих наличие тяжёлых элементов!

В отличие от «чистой» Вселенной, наш район космоса обогащён, и примерно 2% всех находящихся в нём элементов оказываются тяжелее водорода или гелия. Нашему Солнцу предшествовали не менее двух поколений звёзд, которые сформировались, сожгли своё горючее, умерли и обогатили свой район космоса. Но наш регион никак нельзя назвать одним из самых богатых регионов Вселенной, или даже нашей галактики.

А где мы можем искать такие регионы?

Огромное количество элементов тяжелее гелия, которые космологи называют металлами, находится в центрах самых массивных галактик – самых ярких, активных и жестоких регионов, известных во Вселенной.

Галактики начали формировать звёзды всего через 50-100 миллионов лет после Большого взрыва, и в самых массивных, богатых галактиках, перед тем, как их свет дойдёт до нас, может смениться не одно или два, а множество поколений звёзд.

Поэтому, когда я вижу новости типа такой:

Учёные удивились, открыв, что углерод существовал во Вселенной гораздо раньше, чем считалось ранее.

я крайне поражаюсь. Потому, что если они не имеют в виду под «ранее» 1920-й год, мы-то уже так не считаем!

Это TN J0924-2201, самая дальняя из открытых радиогалактик (с красным смещением z = 5,19. Чем больше число красного смещения, тем моложе тогда была Вселенная, и тем дальше объект от нас). О ней была написана научная работа. Но так ли удивительно, что в этой галактике обнаружено так много тяжёлых металлов? Процитируем статью:

В диапазоне 2,0 < z < 4,5 не наблюдается эволюции металличности. При помощи спектроскопии ближней инфракрасной части спектра Джианг с коллегами (2007) не нашли ярко выраженной эволюции металличности вплоть до z ∼ 6. Недавно Хуарез с коллегами (2009) обнаружили, что металличность очень высока даже у квазаров с z ∼ 6. Эти результаты показывают, что основная эпоха химической эволюции в активных ядрах галактик находится на z > 6.

Пусть вас не обманывают заголовки: хорошо известно, что Вселенная была богатой металлами и серьёзно эволюционировала уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть, когда её возраст составлял всего 5% от нынешнего! К примеру, обратим внимание на эту галактику-«младенца»:

scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/11/spitzer_hubble_big_baby_galaxy_2.jpeg

Этой галактике всего 700 миллионов лет, её красное смещение таково, что приходящий от неё свет – большая часть которого была голубой или ультрафиолетовой – уже сместилась из видимой части спектра! И всё же эта галактика не только в 8 раз больше по массе, чем Млечный путь, но и даже богаче тяжёлыми элементами, чем наше Солнце!

И всё-таки нам известно, что в какой-то момент в прошлом самые первые из сформировавшихся звёзд состояли лишь из водорода и гелия. Где это было? Остаётся лишь заглядывать дальше в прошлое.

Пока что это самая дальняя из всех известных нам галактик: UDFj-39546284. Она существовала, когда Вселенной было всего 480 млн лет, то есть 3,5% от сегодняшнего её возраста!

В этой галактике есть небольшое количество горячих голубых звёзд, и её масса меньше, чем 1% массы Млечного пути! Там ли формировались первые звёзды? Типична ли эта галактика для существовавших тогда, на ранних этапах жизни Вселенной?

Согласно лучшим нашим теориям мы не будем удивлены, если настолько ранние галактики были богаты металлами, и – во многих случаях – их массы были сравнимыми с массой Млечного пути. Но в какой-то момент какая-то из удалённых галактик окажется самой первой. И мы хотим знать, где это было и когда. И сейчас для выяснения этого обстоятельства разрабатывается только один план.

И это всего лишь одна из причин, по которым нам нужен космический телескоп им. Джеймса Уэбба!

А пока мы его не запустили, не удивляйтесь, что дальние части Вселенной состоят из тяжёлых металлов, эволюционировавших звёзд и массивных галактик. Вселенная – это место, где всё, что нам известно, происходит очень быстро. Остаётся догадываться, сколько лет назад, при подходящих условиях могли сформироваться планеты и даже жизнь!

Самый редкий элемент во вселенной. Самое тяжелое вещество во вселенной

Осмий на сегодня определён как самое тяжёлое вещество на планете. Всего один кубический сантиметр этого вещества весит 22.6 грамма. Он был открыт в 1804 году английским химиком Смитсоном Теннантом, при растворении золота в После в пробирке остался осадок. Это произошло из-за особенности осмия, он нерастворим в щелочах и кислотах.

Самый тяжёлый элемент на планете

Представляет собой голубовато-белый металлический порошок. В природе встречается в виде семи изотопов, шесть из них стабильны и один неустойчив. По плотности немного превосходит иридий, который имеет плотность 22,4 грамма на кубический сантиметр. Из обнаруженных на сегодня материалов, самое тяжёлое вещество в мире — это осмий.

Он относится к группе таких как лантан, иттрий, скандий и других лантаноидов.

Дороже золота и алмазов

Добывается его очень мало, порядка десяти тысяч килограмм в год. Даже в наиболее большом источнике осмия, Джезказганском месторождении, содержится порядка трёх десятимиллионных долей. Биржевая стоимость редкого металла в мире достигает порядка 200 тысяч долларов за один грамм. При этом максимальная чистота элемента в процессе очистки около семидесяти процентов.

Хотя в российских лабораториях удалось получить чистоту 90,4 процента, но количество металла не превышало нескольких миллиграмм.

Плотность материи за пределами планеты Земля

Осмий, бесспорно, является лидером самых тяжёлых элементов нашей планеты. Но если мы обратим свой взор в космос, то нашему вниманию откроется множество веществ более тяжёлых, чем наш «король» тяжёлых элементов.

Дело в том, что во Вселенной существуют условия несколько другие, чем на Земле. Гравитация ряда настолько велика, что вещество неимоверно уплотняется.

Если рассмотреть структуру атома, то обнаружится, что расстояния в межатомном мире чем-то напоминают видимый нами космос. Где планеты, звезды и прочие находятся на достаточно большой дистанции. Остальное же занимает пустота. Именно такую структуру имеют атомы, и при сильной гравитации эта дистанция достаточно сильно уменьшается. Вплоть до «вдавливания» одних элементарных частиц в другие.

Нейтронные звезды — сверхплотные объекты космоса

В поисках за пределами нашей Земли мы сможем обнаружить самое тяжёлое вещество в космосе на нейтронных звёздах.

Это достаточно уникальные космические обитатели, один из возможных типов эволюции звёзд. Диаметр таких объектов составляет от 10 до 200 километров, при массе равной нашему Солнцу или в 2-3 раза больше.

Это космическое тело в основном состоит из нейтронной сердцевины, которая состоит из текучих нейтронов. Хотя по некоторым предположениям учёных она должна находиться в твёрдом состоянии, достоверной информации на сегодня не существует. Однако известно, что именно нейтронные звезды, достигая своего передела сжатия, впоследствии превращаются в с колоссальным выбросом энергии, порядка 10 43 -10 45 джоулей.

Плотность такой звезды сравнима, к примеру, с весом горы Эверест, помещённой в спичечный коробок. Это сотни миллиардов тонн в одном кубическом миллиметре. К примеру, чтобы стало более понятно, насколько велика плотность вещества, возьмём нашу планету с её массой 5,9×1024 кг и «превратим» в нейтронную звезду.

В результате, чтобы сравнялась с плотностью нейтронной звезды, её нужно уменьшить до размеров обычного яблока, диаметром 7-10 сантиметров. Плотность уникальных звёздных объектов увеличивается с перемещением к центру.

Слои и плотность вещества

Наружный слой звезды представлен собой в виде магнитосферы. Непосредственно под ней плотность вещества уже достигает порядка одной тонны на сантиметр кубический. Учитывая наши знания о Земле, на данный момент, это самое тяжёлое вещество из обнаруженных элементов. Но не спешите с выводами.

Продолжим наши исследования уникальных звёзд. Их называют также пульсарами, из-за высокой скорости вращения вокруг своей оси. Этот показатель у различных объектов колеблется от нескольких десятков до сотен оборотов в секунду.

Проследуем далее в изучении сверхплотных космических тел. Затем следует слой, который имеет характеристики металла, но, скорее всего, он похож по поведению и структуре. Кристаллы намного меньше, чем мы видим в кристаллической решётке Земных веществ. Чтобы выстроить линию из кристаллов в 1 сантиметр, понадобится выложить более 10 миллиардов элементов. Плотность в этом слое в один миллион раз выше, чем в наружном. Это не самое тяжёлое вещество звезды. Далее следует слой, богатый нейтронами, плотность которого в тысячу раз превышает предыдущий.

Ядро нейтронной звезды и его плотность

Ниже находится ядро, именно здесь плотность достигает своего максимума — в два раза выше, чем вышележащий слой. Вещество ядра небесного тела состоит из всех известных физике элементарных частиц. На этом мы достигли конца путешествия к ядру звезды в поисках самого тяжёлого вещества в космосе.

Миссия в поисках уникальных по плотности веществ во Вселенной, казалось бы, завершена. Но космос полон загадок и неоткрытых явлений, звёзд, фактов и закономерностей.

Чёрные дыры во Вселенной

Следует обратить внимание, на то, что сегодня уже открыто. Это чёрные дыры. Возможно, именно эти загадочные объекты могут быть претендентами на то, что самое тяжёлое вещество во Вселенной — их составляющая. Обратите внимание, что гравитация чёрных дыр настолько велика, что свет не может её покинуть.

По предположениям учёных, вещество, затянутое в область пространства времени, уплотняется настолько, что пространства между элементарными частицами не остаётся.

К сожалению, за горизонтом событий (так называется граница, где свет и любой объект, под действием сил гравитации, не может покинуть чёрную дыру) следуют наши догадки и косвенные предположения, основанные на выбросах потоков частиц.

Ряд учёных предполагают, что за горизонтом событий смешиваются пространство и время. Существует мнение, что они могут являться «проходом» в другую Вселенную. Возможно, это соответствует истине, хотя вполне возможно, что за этими пределами открывается другое пространство с совершенно новыми законами. Область, где время поменяется «местом» с пространством. Местонахождение будущего и прошлого определяется всего лишь выбором следования. Подобно нашему выбору идти направо или налево.

Потенциально допустимо, что во Вселенной существуют цивилизации, которые освоили путешествия во времени через чёрные дыры. Возможно, в будущем люди с планеты Земля откроют тайну путешествий сквозь время.

Среди веществ всегда стараются выделить самые те, которые обладают самой крайней степенью определенного свойства. Людей всегда привлекали самые твердые материалы, самые легкие или тяжелые, легко- и тугоплавкие. Мы изобрели понятие идеального газа и идеально черного тела, а потом пытались найти максимально приближенные к этим моделям природные аналоги. В результате человеку удалось найти или создать удивительные вещества.

1. Самое черное вещество

Это вещество способно поглощать до 99,9% света, практически идеальное черное тело. Его получили из особым образом соединенных слоев углеродных нанотрубок. Поверхность полученного материала шероховатая и практически не отражает свет. Области применения для такого вещества обширны — от суперпроводниковых систем до улучшения свойств оптических систем. Например, за счет применения подобного материала удалось бы поднять качество телескопов и намного повысить эффективность солнечных батарей.

2. Наиболее горючее вещество

Мало кто не слышал про напалм. Но это только один из представителей класса сильных горючих веществ. К ним относится и стирофом, и особенно трифторид хлора. Этот сильнейший окислитель может воспламенить даже стекло, бурно реагирует практически со всеми неорганическими и органическими соединениями. Известны случаи, когда пролитая тонна трифторида хлора в результате пожара прожгла вглубь на 30 сантиметров бетонное покрытие площадки и еще метровую гравийно-песчаную подушку. Были попытки использовать вещество в качестве боевого отравляющего или ракетного топлива, но их оставили из-за слишком большой опасности.

3. Ядовитейшее вещество

Сильнейший яд на земле является одновременно и одним из самых популярных косметических средств. Речь идет о ботулотоксинах, в косметологии применяемых под названием ботокс. Это вещество является продуктом жизнедеятельности бактерий Clostridium botulinum и обладает наибольшей молекулярной массой среди белков. Именно этим обусловлены его свойства как самого сильного ядовитого вещества. Достаточно 0,00002 мг.мин/л сухого вещества, что бы сделать на 12 часов зону поражения смертельной для человека. Кроме того это вещество прекрасно впитывается со слизистых и вызывает сильнейшие неврологические симптомы.

4. Самое горячее вещество

В глубинах звезд горят ядерные костры, достигая немыслимых температур. Но человеку удалось приблизиться к этим цифрам, получив кварк-глюонный «суп». Это вещество имеет температуру 4 триллиона градусов Цельсия, что в 250тысяч раз горячее Солнца. Оно получено при столкновении на почти световой скорости атомов золота, в результате чего были расплавлены нейтроны и протоны. Правда, просуществовало это вещество всего триллионную одной триллионной секунды и занимало одну триллионную сантиметра.

В данной номинации рекордсменом становится фторидно-сурьмяная кислота. Она в 21019 раз более едкая, чем серная кислота, способна проплавить стекло и взорваться при добавлении воды. К тому же она выделяет смертельно ядовитые испарения.

6. Самое взрывоопасное вещество

Октоген является самым сильным взрывчатым веществом, к тому же стойким к высоким температурам. Именно это делает его незаменимым в военном деле — для создания кумулятивных зарядов, пластитов, мощной взрывчатки, наполнителей для запалов ядерных зарядов. Также октоген применяют и в мирных целях, например при бурении высокотемпературных газовых и нефтяных скважин, а также как компонент твердого ракетного топлива. Есть у октогена и аналог гептанитрокубан, имеющий еще большую взрывную мощь, но и более дорогой, а потому применяемый больше в лабораторных условиях.

7. Самое радиоактивное вещество

Это вещество не имеет в природе стабильных изотопов, при этом генерирует огромное количество радиоактивного излучения. Одни из изотопов, «полоний-210», используется для создания очень легких, компактных и при этом мощнейших нейтронных источников. Кроме того в сплавах с некоторыми металлами полоний используют для создания источников тепла для атомных установок, в частности подобные устройства используют в космосе. При этом из-за короткого полураспада этого изотопа он является высокотоксичным веществом, способным вызвать тяжелую лучевую болезнь.

8. Самое тяжёлое вещество

В 2005 году немецкие ученые сконструировали вещество виде алмазного наностержня. Он представляет собой набор алмазов в наномасштабе. У такого вещества наименьшая степень сжатия и наибольшая удельная плотность из известных человечеству. Кроме того, покрытие из подобного материала будет обладать огромной износостойкостью.

9. Самое сильное магнитное вещество

Еще одно создание специалистов из лабораторий. Оно было получено на основе железа и азота в 2010. Пока детали держат в секрете, так как предыдущее вещество в 1996 году не удалось повторно воспроизвести. Но уже известно, что рекордсмен обладает на 18% более сильными магнитными свойствами, чем самый близкий аналог. Если этого вещество станет доступным в промышленных масштабах, то можно ожидать появления мощнейших электромагнитных двигателей.

10. Наиболее сильная сверхтекучесть

Гелий II имеет высокую термопроводимость и полное отсутствие вязкость при экстремально низких температурах, то есть проявляет свойство сверхтекучести. Он способен просачиваться через твердые материалы, самопроизвольно выливаться из любого контейнера. Это вещество может стать идеальным термопроводником, в котором тепло движется скорее как волна и не рассеивается.

Использовано:За городом

Окружающий нас мир таит в себе еще множество загадок, но даже давно известные ученым явления и вещества не перестают удивлять и восторгать. Мы любуемся яркими красками, наслаждаемся вкусами и используем свойства всевозможных веществ, делающих нашу жизнь комфортнее, безопаснее и приятнее. В поисках самых надежных и крепких материалов человек совершил немало восторгающих открытий, и перед вами подборка как раз из 25 таких уникальных соединений!

25. Алмазы

Об этом точно знают если не все, то почти все. Алмазы – это не только одни из самых почитаемых драгоценных камней, но и один из самых твердых минералов на Земле. По шкале Мооса (шкала твёрдости, в которой оценка дается по реакции минерала на царапание) алмаз числится на 10 строчке. Всего в шкале 10 позиций, и 10-ая – последняя и самая твердая степень. Алмазы такие твердые, что поцарапать их можно разве что другими алмазами.

24. Ловчие сети паука вида Caerostris darwini

Фото: pixabay

В это сложно поверить, но сеть паука Caerostris darwini (или паук Дарвина) крепче стали и тверже кевлара. Эту паутину признали самым твердым биологическим материалом в мире, хотя сейчас у нее уже появился потенциальный конкурент, но данные еще не подтверждены. Паучье волокно проверили на такие характеристики, как разрушающая деформация, ударная вязкость, предел прочности и модуль Юнга (свойство материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации), и по всем этим показателям паутина проявила себя удивительнейшим образом. Вдобавок ловчая сеть паука Дарвина невероятно легкая. Например, если волокном Caerostris darwini обернуть нашу планету, вес такой длинной нити составит всего 500 граммов. Таких длинных сетей не существует, но теоретические подсчеты просто поражают!

23. Аэрографит

Фото: BrokenSphere

Эта синтетическая пена – один из самых легких волокнистых материалов в мире, и она представляет собой сеть углеродных трубочек диаметром всего в несколько микронов. Аэрографит в 75 раз легче пенопласта, но при этом намного прочнее и пластичнее. Его можно сжать до размеров, в 30 раз меньших первоначального вида, без какого-либо вреда для его чрезвычайно эластичной структуры. Благодаря этому свойству аэрографитная пена может выдержать нагрузку, в 40 000 раз превышающую ее собственный вес.

22. Палладиевое металлическое стекло

Фото: pixabay

Команда ученых их Калифорнийского технического института и Лаборатории Беркли (California Institute of Technology, Berkeley Lab) разработала новый вид металлического стекла, совместивший в себе практически идеальную комбинацию прочности и пластичности. Причина уникальности нового материала кроется в том, что его химическая структура успешно скрадывает хрупкость существующих стеклообразных материалов и при этом сохраняет высокий порог выносливости, что в итоге значительно увеличивает усталостную прочность этой синтетической структуры.

21. Карбид вольфрама

Фото: pixabay

Карбид вольфрама – это невероятно твердый материал, обладающий высокой износостойкостью. В определенных условиях это соединение считается очень хрупким, но под большой нагрузкой оно показывает уникальные пластические свойства, проявляющиеся в виде полос скольжения. Благодаря всем этим качествам карбид вольфрама используется в изготовлении бронебойных наконечников и различного оборудования, включая всевозможные резцы, абразивные диски, свёрла, фрезы, долота для бурения и другие режущие инструменты.

20. Карбид кремния

Фото: Tiia Monto

Карбид кремния – один из основных материалов, используемых для производства боевых танков. Это соединение известно своей низкой стоимостью, выдающейся тугоплавкостью и высокой твердостью, и поэтому оно часто используется в изготовлении оборудования или снаряжения, которое должно отражать пули, разрезать или шлифовать другие прочные материалы. Из карбида кремния получаются отличные абразивы, полупроводники и даже вставки в ювелирные украшения, имитирующие алмазы.

19. Кубический нитрид бора

Фото: wikimedia commons

Кубический нитрид бора – это сверхтвердый материал, по своей твердости схожий с алмазом, но обладающий и рядом отличительных преимуществ – высокой температурной устойчивости и химической стойкости. Кубический нитрид бора не растворяется в железе и никеле даже под воздействием высоких температур, в то время как алмаз в таких же условиях вступает в химические реакции достаточно быстро. На деле это выгодно для его использования в промышленных шлифовальных инструментах.

18. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), марка волокон «Дайнима» (Dyneema)

Фото: Justsail

Полиэтилен с высоким модулем упругости обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой вязкостью разрушения (низкотемпературная надёжность). Сегодня его считают самым прочным волокнистым веществом в мире. Самое удивительное в этом полиэтилене то, что он легче воды и одновременно может останавливать пули! Тросы и канаты из волокон Дайнима не тонут в воде, не нуждаются в смазке и не меняют свои свойства при намокании, что очень актуально для судостроения.

17. Титановые сплавы

Фото: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Титановые сплавы невероятно пластичные и демонстрируют удивительную прочность во время растяжения. Вдобавок они обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, что делает их крайне полезными в таких областях, как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

16. Сплав Liquidmetal

Фото: pixabay

Разработанный в 2003 году в Калифорнийском техническом институте (California Institute of Technology), этот материал славится своей силой и прочностью. Название соединения ассоциируется с чем-то хрупким и жидким, но при комнатной температуре оно на самом деле необычайно твердое, износостойкое, не боится коррозии и при нагревании трансформируется, как термопласты. Основными сферами применения пока что являются изготовление часов, клюшек для гольфа и покрытий для мобильных телефонов (Vertu, iPhone).

15. Наноцеллюлоза

Фото: pixabay

Наноцеллюлозу выделяют из древесного волокна, и она представляет собой новый вид деревянного материала, который прочнее даже стали! Вдобавок наноцеллюлоза еще и дешевле. Инновация имеет большой потенциал и в будущем может составить серьезную конкуренцию стеклу и углеволокну. Разработчики считают, что этот материал вскоре будет пользоваться большим спросом в производстве армейской брони, супергибких экранов, фильтров, гибких батареек, абсорбирующих аэрогелей и биотоплива.

14. Зубы улиток вида «морское блюдечко»

Фото: pixabay

Ранее мы уже рассказали вам о ловчей сети паука Дарвина, которую некогда признали самым прочным биологическим материалом на планете. Однако недавнее исследование показало, что именно морского блюдечка – наиболее прочная из известных науке биологических субстанций. Да-да, эти зубки прочнее паутины Caerostris darwini. И это неудивительно, ведь крошечные морские создания питаются водорослями, растущими на поверхности суровых скал, и чтобы отделить пищу от горной породы, этим зверькам приходится потрудиться. Ученые полагают, что в будущем мы сможем использовать пример волокнистой структуры зубов морских блюдечек в машиностроительной промышленности и начнем строить автомобили, лодки и даже воздушные суда повышенной прочности, вдохновившись примером простых улиток.

13. Мартенситно-стареющая сталь

Фото: pixabay

Мартенситно-стареющая сталь – это высокопрочный и высоколегированный сплав, обладающий превосходной пластичностью и вязкостью. Материал широко распространен в ракетостроении и используется для изготовления всевозможных инструментов.

12. Осмий

Фото: Periodictableru / www.periodictable.ru

Осмий – невероятно плотный элемент, и благодаря своей твердости и высокой температуре плавления он с трудом поддается механической обработке. Именно поэтому осмий используют там, где долговечность и прочность ценятся больше всего. Сплавы с осмием встречаются в электрических контактах, ракетостроении, военных снарядах, хирургических имплантатах и применяются еще во многих других областях.

11. Кевлар

Фото: wikimedia commons

Кевлар – это высокопрочное волокно, которое можно встретить в автомобильных шинах, тормозных колодках, кабелях, протезно-ортопедических изделиях, бронежилетах, тканях защитной одежды, судостроении и в деталях беспилотных летательных аппаратов. Материал стал практически синонимом прочности и представляет собой вид пластика с невероятно высокой прочностью и эластичностью. Предел прочности кевлара в 8 раз выше, чем у стального провода, а плавиться он начинает при температуре в 450℃.

10. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности, марка волокон «Спектра» (Spectra)

Фото: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons

СВМПЭ – это по сути очень прочный пластик. Спектра, марка СВМПЭ, – это в свою очередь легкое волокно высочайшей износостойкости, в 10 раз превосходящее по этому показателю сталь. Как и кевлар, спектра используется в изготовлении бронежилетов и защитных шлемов. Наряду с СВМПЭ марки дайнимо спектра популярна в судостроении и транспортной промышленности.

9. Графен

Фото: pixabay

Графен – это аллотропная модификация углерода, и его кристаллическая решетка толщиной всего в один атом настолько прочная, что она в 200 раз тверже стали. Графен с виду похож на пищевую пленку, но порвать его – практически непосильная задача. Чтобы пробить графеновый лист насквозь, вам придется воткнуть в него карандаш, на котором должен будет балансировать груз весом с целый школьный автобус. Удачи!

8. Бумага из углеродных нанотрубок

Фото: pixabay

Благодаря нанотехнологиям ученым удалось сделать бумагу, которая в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Листы из углеродных нанотрубок в 10 раз легче стали, но удивительнее всего то, что по прочности они превосходят в целых 500 раз! Макроскопические пластины из нанотрубок наиболее перспективны для изготовления электродов суперконденсаторов.

7. Металлическая микрорешетка

Фото: pixabay

Перед вами самый легкий в мире металл! Металлическая микрорешетка – это синтетический пористый материал, который в 100 раз легче пенопласта. Но пусть его внешний вид не вводит вас в заблуждение, ведь эти микрорешетки заодно и невероятно прочные, благодаря чему они обладают большим потенциалом для использования во всевозможных инженерных областях. Из них можно изготавливать превосходные амортизаторы и тепловые изоляторы, а удивительная способность этого металла сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать его для накопления энергии. Металлические микрорешетки также активно применяются в производстве различных деталей для летательных аппаратов американской компании Boeing.

6. Углеродные нанотрубки

Фото: User Mstroeck / en.wikipedia

Выше мы уже рассказывали про сверхпрочные макроскопические пластины из углеродных нанотрубок. Но что же это за материал такой? По сути это свернутые в трубку графеновые плоскости (9-ый пункт). В результате получается невероятно легкий, упругий и прочный материал широкого спектра применения.

5. Аэрографен

Фото: wikimedia commons

Известный также как графеновый аэрогель, этот материал чрезвычайно легкий и прочный одновременно. В новом виде геля жидкая фаза полностью заменена на газообразную, и он отличается сенсационной твердостью, жаропрочностью, низкой плотностью и низкой теплопроводностью. Невероятно, но графеновый аэрогель в 7 раз легче воздуха! Уникальное соединение способно восстанавливать свою изначальную форму даже после 90% сжатия и может впитывать такое количество масла, которое в 900 раз превышает вес используемого для абсорбции аэрографена. Возможно, в будущем этот класс материалов поможет в борьбе с такими экологическими катастрофами, как разливы нефти.

4. Материал без названия, разработка Массачусетского технологического института (MIT)

Фото: pixabay

Пока вы читаете эти строки, команда ученых из MIT работает над усовершенствованием свойств графена. Исследователи заявили, что им уже удалось преобразовать двумерную структуру этого материала в трехмерную. Новая графеновая субстанция еще не получила своего названия, но уже известно, что ее плотность в 20 раз меньше, чем у стали, а ее прочность в 10 раз выше аналогичной характеристики стали.

3. Карбин

Фото: Smokefoot

Хоть это и всего лишь линейные цепочки атомов углерода, карбин обладает в 2 раза более высоким пределом прочности, чем графен, и он в 3 раза жестче алмаза!

2. Нитрид бора вюрцитной модификации

Фото: pixabay

Это недавно открытое природное вещество формируется во время вулканических извержений, и оно на 18% тверже алмазов. Впрочем, алмазы оно превосходит еще по целому ряду других параметров. Вюрцитный нитрид бора – одна из всего 2 натуральных субстанций, обнаруженных на Земле, которая тверже алмаза. Проблема в том, что таких нитридов в природе очень мало, и поэтому их непросто изучать или применять на практике.

1. Лонсдейлит

Фото: pixabay

Известный также как алмаз гексагональный, лонсдейлит состоит из атомов углерода, но в случае данной модификации атомы располагаются несколько иначе. Как и вюрцитный нитрид бора, лонсдейлит – превосходящая по твердости алмаз природная субстанция. Причем этот удивительный минерал тверже алмаза на целых 58%! Подобно нитриду бора вюрцитной модификации, это соединение встречается крайне редко. Иногда лонсдейлит образуется во время столкновения с Землей метеоритов, в состав которых входит графит.

Какое вещество самое тяжёлое на нашей планете? и получил лучший ответ

Ответ от Пользователь удален[гуру]
Ученые создали вещество с самой высокой плотностью из всех, которые когда-либо были созданы в лабораторных условиях.
Это было достигнуто в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке в результате столкновений атомных ядер золота, двигающихся с околосветовой скоростью. Исследования проводились на самой крупной в мире установке на встречных пучках Коллайдере тяжелых релятивистских ионов (Relativistic Heavy Ion Collider ? RHIC), открывшейся в прошлом году и предназначающейся для воссоздания условий, существовавших вначале существования Вселенной. Полученное вещество обладает в 20 раз большей площадью, чем обычно получается в коллайдерах. Температура сжатой материи достигает триллиона градусов. Вещество существует очень короткое время внутри коллайдера. Материя с такой температурой и плотностью существовала несколько миллионов секунд после Большого Взрыва в начале существования нашей Вселенной. Детали эксперимента стали известны на Конференции Кваркового вещества 2001 в Stony Brook Университете в Нью-Йорке.
Источник: http://www.ibusiness.ru

Ответ от 2 ответа
[гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Какое вещество самое тяжёлое на нашей планете?

Ответ от Ўля…
[гуру]
серое

Ответ от Дукат
[гуру]
ртуть

Ответ от Евгений Юрьевич
[гуру]
Деньги! Они карман отягощают.
Поддубному. Автор вопроса не указывал на молекулярный вес. А плотность белка, увы, не велика.

Ответ от Владимир Поддубный
[активный]
белки»

Ответ от Zoya Ashurova
[гуру]
Голова человека, с его мыслями. а мысли бывают разные вот поэтому голова. Удачи!!

Ответ от Luisa
[гуру]
Если говорить про вещества природные, то самый высокий удельный вес у минералов группы осмистого иридия — 23 г/см3. Вряд ли искусственное есть что-то тяжелее.
Сравните — плотность галита (поваренной соли) — 2.1-2.5, кварца — 2.6, а барит, у которого 4.3-4.7, уже называют «тяжелым шпатом». Медь — почти 9, серебро — 10-11, ртуть — 13.6, золото — 15-19, минералы группы платины — 14-20.

Размещено 01.02.2012 (актуально до 01.02.2013)

В природе очень много различных металлов и драгоценных камней, стоимость которых очень высока для большинства жителей планеты. Про драгоценные камни люди более-менее имеют представление, какие самые дорогие, какие больше всего ценятся. Но, вот как обстоят дела с металлами, большинство людей кроме золота и платина больше не знают дорогих металлов. Какой самый дорогой металл в мире? Любопытство людей не имеет границ, они в поисках ответов на самые интересные вопросы. Узнать стоимость самого дорогого металла на планете не проблема, так как это не является секретной информацией.

Скорее всего, что Вы впервые слышите это название – изотоп Осмия 1870s. Этот химический элемент и есть самый дорогой металл в мире. Вы могли видеть название такого химического элемента в таблице Менделеева под номером 76. Изотоп Осмия является самым плотным веществом на планете. Его плотность составляет 22,61 г/см 3 . При нормальных стандартных условиях осмий имеет серебристый цвет и обладает резким запахом. Этот металл относится к группе платиновых металлов. Этот металл применяют при производстве ядерного оружия, фармацевтике, аэрокосмической сфере, иногда в ювелирных изделиях.

Но, вот теперь главный вопрос – сколько стоит самый дорого металл в мире? Сейчас его стоимость на черном рынке составляет 200 000 долларов за 1 грамм. Так, как получение изотопа 1870s очень сложная задача, мало кто возьмется за это дело. Раньше, в 2004 году, Казахстан официально предлагал один грамм чистого изотопа Осмия за 10 000 долларов. Казахстан в свое время стала первым экспертом дорого металла, ни одно страна больше не выставляла на продажу этот металл.

Осмий был открыт английским химиком Смитсоном Теннантом в 1804 году. Осмий получают из обогащенного сырья платиновых металлов путём прокаливания этого концентрата на воздухе при температурах 800-900 градусов Цельсия. И до сих пор учёные пополняют таблицу Менделеева , получая элементы с невероятными свойствами.

Многие скажут, что есть еще дороже металл – это Калифорний 252. Цена Калифорния 252 составляет 6 500 000 долларов за 1 грамм. Но, стоит учесть тот факт, что мировой запас этого металла всего несколько грамм. Так, как он производится только на двух реакторах в России и США по 20-40 микрограмм в год. Но, его свойства очень впечатляющие: 1мкг калифорния дает более 2 миллионов нейтронов в секунду. Последние годы этот металл используется в медицине в качестве точечного источника нейтронов для локальной обработки злокачественных опухолей.

Физики расширили таблицу Менделеева до 122-го элемента

МОСКВА, 26 мая — РИА Новости, Илья Ферапонтов. Группа ученых под руководством Амнона Маринова из Иерусалимского университета утверждает, что им удалось зафиксировать следы сверхтяжелого элемента с атомным номером 122 в природном образце тория. Однако другие физики выражают серьезные сомнения в достоверности полученных ими результатов.

Самый тяжелый элемент, который был искусственно синтезирован к настоящему времени, имеет атомный номер 118 и получил условное название «унуноктий» (от латинского названия цифр номера), а самый тяжелый природный элемент — уран — имеет атомный номер 92.

Элементы тяжелее урана удавалось получить в ядерных реакторах, самый тяжелый из них — фермий с номером 100. Все более тяжелые ядра были получены на ускорителях заряженных частиц, в которых сталкиваются разогнанные до высоких скоростей ядра и частицы. В результате столкновений образуются ядра сверхтяжелых элементов, которые существуют очень короткое время, а затем вновь распадаются. Благодаря следам этого распада и определяют, что синтез тяжелого ядра удался.

Поэтому сообщение, что 122-й элемент был обнаружен в природном образце, может стать сенсацией для физиков.

В статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета, Маринов и его соавторы сообщают, что, исследуя образец тория методом масс-спектрометрии, они зафиксировали следы сверхтяжелого ядра с атомной массой 292.

«Измеренная масса соответствует предсказаниям для массы изотопа с атомным номером 122 или ближайших к нему элементов», — говорится в статье.

По оценке исследователей, период полураспада этого элемента составляет сотни миллионов лет.

Охота за сверхтяжелыми ядрами

В 1950-1970-е годы физика высоких энергий, и, в частности, синтез новых элементов, был почти настолько же важной сферой государственного престижа, как и исследования космоса. Физики СССР и США соперничали, кому первому удастся синтезировать новый элемент.

Синтез новых, все более тяжелых ядер требовал новых, более мощных, ускорителей. Самый тяжелый элемент с номером 118 был синтезирован в 2002-2005 годах в российском Объединенном институте ядерных исследований в сотрудничестве с Ливерморской национальной лабораторией (США).

Физики полагают, что, начиная с определенной массы, сверхтяжелые ядра могут быть стабильными. Была сформулирована теория «Острова стабильности», которые должны существовать вокруг элементов с номерами 108 и 114. Не исключено, что именно эти сверхтяжелые ядра могут существовать в природе.

Сверхтяжелые изомеры

Маринов однако заявляет, что в своих поисках сверхтяжелых элементов он основывался не на предсказании теории «Островов стабильности», а на предположении, что существуют так называемые долгоживущие изомерные состояния сверхтяжелых ядер.

«Атомные ядра могут иметь разную энергию и находиться в разных состояниях. Наинизшему уровню энергии соответствует основное состояние, в котором время жизни ядер обычно длиннее всего», — пояснил Маринов в интервью РИА Новости по электронной почте.

По его словам, кроме основного состояния каждое ядро может находиться в различных возбужденных состояниях, в которых ядра обычно имеют малое время жизни и быстро распадаются.

«Изомерные состояния — это возбужденные состояния, но с большим временем жизни. В некоторых случаях время жизни особых типов изомерных состояний может быть больше, чем время жизни основного состояния того же ядра», — сказал физик.

Он рассказал, что его работа по поиску в природе ядер сверхтяжелых элементов была начата еще в 1970-х годах, когда ему удалось обнаружить существование 112-го элемента с временем жизни несколько недель, при том, что у ядер этого элемента период полураспада около 34 секунд.

«Мы пришли к выводу, что обнаружено ядро не в нормальном основном состоянии, но в долгоживущем изомерном состоянии. В исследованиях различных ядерных реакций мы обнаружили некоторые тяжелые ядра в долгоживущем изомерном состоянии с временем жизни несколько лет», — сказал Маринов.

По его словам, такие состояния принадлежат к новому типу изомерных состояний — к так называемым высокоспиновым гипердеформированным изомерным состояниям.

«В этих состояниях ядра имеют форму скорее очень удлиненного эллипсоида, чем форму сферы, которая свойственна ядрам в основном состоянии. Это привело нас к поискам таких изомерных состояний в естественных материалах», — рассказал физик.

Собеседник агентства пояснил, что любое ядро, существующее в природе, должно иметь время жизни как минимум миллиарды лет, иначе оно бы распалось.

«Эта работа была начата в 2003 году, и недавно мы обнаружили долгоживущие изомерные состояния в естественно произведенном изотопе тория, который в основном состоянии имеет очень короткое время жизни — менее 0,1 микросекунды. Этот результат показал нам, что некоторые ядра способны стабилизировать сами себя, будучи в изомерном состоянии… Основываясь на этом результате, мы решили искать сверхтяжелые элементы в природе», — рассказал Маринов.

Ошибки спектрометра?

Ученые, которые занимаются синтезом ядер сверхтяжелых элементов, сомневаются в достоверности результатов работы группы Маринова.

Владимир Утенков, руководитель одной из групп Лаборатории ядерных реакций имени Флерова в подмосковной Дубне, где был получен самый тяжелый на сегодняшний день элемент с номером 118, выражает серьезные сомнения в том, что группе Маринова действительно удалось зафиксировать следы 122-го элемента.

«Все это выглядит довольно сомнительно», — сказал он в интервью РИА Новости.

Собеседник агентства рассказал, что сообщения группы Маринова об обнаружении 112-го элемента в природных образцах появлялись еще 2003 году, но были сочтены недостоверными.

Вместе с тем, Утенков рассказал, что поиски сверхтяжелых элементов в природе ведутся, однако они направлены на поиск значительно более легкого элемента — 108-го, который согласно одному из вариантов теории «Островов стабильности», может быть одним из наиболее долгоживущих элементов на таком острове.

«Одним из недостатков метода масс-спектрометрии в подобных экспериментах является вероятность ошибок, вызванных тем, что фиксируются следы молекул, которые принимают за тяжелые ядра. Летит не одно ядро, а летит молекула», — пояснил физик.

Требуется проверка

Один из соавторов исследования, профессор Илья Родюшкин (Ilia Rodushkin), руководитель лаборатории компании ALS Laboratory Group (Lulea, Sweden), где проводился эксперимент, признает, что на данном этапе нельзя со стопроцентной уверенностью говорить об обнаружении 122-го элемента.

«Данные, на мой взгляд, на данном этапе нельзя однозначно интерпретировать как «мы открыли новый элемент». При многократных анализах высоко концентрированного раствора тория был обнаружен сигнал с массой 292.262, который мы не можем на данный момент объяснить ни случайными изменениями фонового сигнала прибора, ни спектральными помехами от молекулярных ионов. В пределах погрешности масс-калибровки спектрометра, масса этого сигнала попадает в ту область, где теоретически должен был бы быть сигнал, обусловленный 122-м элементом. С этим трудно спорить», — сказал Родюшкин в интервью РИА Новости по телефону.

Вместе с тем, он подчеркнул, что представленные данные — не результат одиночного эксперимента и их трудно отнести на счет погрешности или ошибки прибора.

«Опыты повторялись в течение последних трех лет. Несмотря на малую амплитуду сигнала, он статистически выше фонового шума прибора, даже принимая во внимание увеличение фона за счет высокой концентрации тория в плазме. Мы уверены, что то, что мы видим, это не артефакт», — сказал ученый.

С другой стороны, по его словам, нельзя априори сказать, что учтены все теоретически возможные спектральные помехи от молекулярных ионов.

«Комбинаций трех-, четырех — или даже пятиатомных ионов может быть тысячи, хотя анализируемый раствор тория достаточно высокой чистоты, с низким содержанием примесей. Да, потенциальные помехи от очевидных молекулярных ионов не попадают на именно эту массу, о чем и сказано в этой статье. Например сигнал от ионов с массой 292 — 238U40Ar14N+ и 238U38Ar16O+ (сформированные в плазме из-за наличия следовых примесей урана в растворе тория) полностью разделены от неопознанного сигнала благодаря использованию масс-спектрометра с высоким разрешением. Но с другой стороны, я считаю, что до того, как уверенно говорить: «вот это — точно новый элемент», нужно подтверждение, по крайней мере, еще одним независимым методом», — сказал он.

По словам Родюшкина, существует еще по крайней мере два метода, с помощью которых можно подтвердить или опровергнуть полученный результат — масс-спектрометрия высокого разрешения с тлеющим разрядом (glow disharge high resolution mass spectrometry) и ускорительная масс-спектрометрия (acceleration mass spectrometry), с помощью которых можно анализировать пробы тория в твердом состоянии.

«Естественно, что это сложный, длительный и очень дорогой анализ, но, с другой стороны, используя эти два альтернативных метода, можно тогда будет говорить с гораздо более высокой степенью вероятности, что да, это новый элемент», — сказал собеседник агентства.

«При мысли, о том, что это действительно может быть новый элемент, естественно, я думаю, они (лаборатории, которые располагают этими методами) будут заинтересованы провести этот анализ», — добавил он.

Комментируя высказывания тех ученых, которые объясняют полученный группой Маринова результат тем, что они приняли за свидетельство существования сверхтяжелого элемента сигнал молекулярных помех, Родюшкин отметил, что не может принципиально отрицать такую возможность.

Вместе с тем, по их данным, теоретическая масса всех возможных молекул, которые могли попасть в спектр около массы 292, оказывались далеко от полученного «необъяснимого сигнала».

«Возможно математически перебирать, какие молекулы могут образовываться в плазме, и, зная точную массу составляющих элементов, предсказывать точную позицию в масс-спектре. Исходя из химического состава плазмы, окружающей атмосферы и аналитического раствора нам не удалось подобрать молекулярный ион с массой около 292.26. Хотя не исключено, что другие ученые укажут нам на возможные комбинации, которые мы не учли, — в этом и была одна из основных причин опубликования этих данных online», — заключил он.

Какой самый тяжелый элемент во Вселенной?

Если исходить из того, какой элемент является «самым тяжелым» по его плотности, то Осмий является самым плотным стабильным элементом, естественным образом встречающимся на Земле, с 40,7 г/см3 (но он довольно нестабилен). Однако плотность — это не масса, она просто описывает, насколько плотно упакована масса. Тогда элемент с самым тяжелым ядром следует объявить самым тяжелым (существуют также небольшие различия в атомной массе для разных изотопов, поэтому давайте всегда брать цифру для самого стабильного изотопа). Уран(92) будет самым тяжелым элементом, естественным образом встречающимся на Земле (атомная масса 238 ), а Унуноктий(118) будет самым тяжелым элементом из когда-либо задокументированных (после искусственного создания) с атомной массой из 294 .

Ununoctium, однако, является лишь самым тяжелым из тех элементов, которые мы непосредственно обнаружили. Тем не менее, элемента намного тяжелее Ununoctium определенно существуют. Сам уннуноктий впервые был обнаружен только в 2002 году, однако он уже был обнаружен в периодической таблице с начала 19 века.90-е годы. Мы не помещаем более тяжелые элементы, чем Ununoctium, в большинство периодических таблиц только по эстетическим и функциональным причинам. Есть некоторые периодические таблицы, которые включают гораздо больше элементов, и они выглядят так:

Все современные теоретические модели указывают на то, что стабильность имеет тенденцию к снижению по мере увеличения атомной массы ядра (за исключением нескольких ожиданий). Однако период полураспада Ununoctium, составляющий 0,001 секунды, на самом деле не так уж и мал — он в триллионы раз больше, чем период полураспада многих гораздо более легких изотопов — вы можете видеть, насколько короткими могут быть периоды полураспада . Мы наблюдали ряд изотопов, которые распадаются примерно через 10 -22 секунды, , такие как водород 4 (тритий с еще одним нейтроном). Это совсем эфемерно. Значение периода полураспада Ununoctium 294, составляющее 0,001 секунды, , на 3 величины дальше от периода полураспада водорода 4, как и от всех 13,7 миллиардов лет возраста нашей Вселенной. Но насколько стабильны будут элементы за пределами Ununoctium? Текущие теории указывают на то, что Ununoctium 294 находится на берегу области массы, известной как «Море нестабильности», где ожидается, что ядра будут распадаться за микросекунды. Однако некоторые ученые считают, что более массивные ядра могут располагаться на так называемых «островах стабильности» с необычно долгим периодом полураспада (вероятно, секунды). Ожидается, что убинилий-304 (элемент 120) и унбигексий-310 (элемент 126) будут наиболее стабильными.

Максимально возможная атомная масса ядра не определена, однако согласно ИЮПАК, чтобы ядро считалось законным «элементом», оно должно иметь хотя бы один изотоп с периодом полураспада не менее 0,7 x 10–14 секунд (время, за которое протоны и нейтроны в ядре организуются в ядерные оболочки). Таким образом, самым тяжелым элементом во Вселенной будет элемент с самой высокой атомной массой среди всех ядер, находящихся выше этого предела периода полураспада. Все, что имеет период полураспада менее 0,7 x 10-14 секунд, больше не является элементом.

——————————————————

Это очень важный вопрос в физике, и если его решить, это может помочь нам найти способ синтезировать элементы с невероятными массами и использовать их. Прежде чем мы начнем делать какие-либо оценки диапазона продолжительности жизни сверхтяжелых ядер, было бы лучше объяснить, что именно делает тяжелые ядра нестабильными. Существует два основных типа ядерного распада, которые могут изменять размер и состав ядра, каждый из которых вызывается совершенно разными силами: а) Бета-распад – наиболее распространенный тип распада более легких элементов. Это вызвано тем, что ядро имеет нестабильное отношение нейтронов к протонам (на основе принципа запрета Паули). Он имеет два варианта: β- превращает нейтрон в протон, а β+ превращает протон в нейтрон, испуская бета-частицы (лептоны) в обоих случаях. Количество частиц в ядре остается прежним, меняется только количество протонов протонов. Очень похож на бета-распад процесс захвата электрона , который поглощает один из собственных внутренних электронов атома и превращает один из его протонов в нейтрон. протонов в ядре и имеет несколько множественных подтипов:

Альфа-распад – наиболее распространенный тип эмиссионного распада, вызванный отталкиванием протонов, выбрасывает альфа-частицу , состоящую из двух нейтронов и двух протонов, из ядра, уменьшая его атомную массу.
Спонтанное деление – Целое ядро распадается на два меньших дочерних ядра (часто также испускающих нейтроны). Вызвано отталкиванием протонов
Нейтронный и протонный распад – Обычно происходит в очень легких элементах, вызывается отталкивающими эффектами ядерной силы на слишком коротких расстояниях (обычно ядерная сила притягивается)

Причина, по которой более тяжелые ядра более нестабильны, заключается в электростатическом отталкивании протонов, которое сильнее, чем ядерное взаимодействие на больших расстояниях. Ядерная сила, которая связывает протоны и нейтроны с другими протонами или нейтронами в ядре, значительна только на очень коротких расстояниях, становясь незаметной при ~ 2,5 фм (фемтометры). Ядро урана-238 имеет размер около 15 фм , и каждый протон или нейтрон взаимодействует только с несколькими ближайшими к нему другими. Чтобы уменьшить силу отталкивания между протонами, нейтронов должно быть намного больше, чем протонов (92 протона, 146 нейтронов), увеличивая как чистое значение ядерной силы связи, так и расстояния (и, следовательно, уменьшая силы отталкивания) между протонами.

Когда речь идет о сверхтяжелых элементах, наиболее распространенным типом распада определенно является либо альфа-распад , либо спонтанное деление. Есть две основные силы, которые определяют, насколько устойчивыми будут ядра к этим типам распада, это сильное взаимодействие и электростатическое взаимодействие, которые дают общую энергию связи. Поскольку альфа-распад и деление являются путями распада большинства сверхтяжелых ядер, мы сосредоточимся только на них.

Глядя на то, как периоды полураспада уменьшаются по мере того, как элементы становятся выше, мы сможем оценить диапазон размеров, в котором должен находиться самый тяжелый из возможных элементов. Это очень упрощенный метод, но нам удалось получить хотя бы несколько точную цифру. Самое тяжелое из возможных ядер, которое до сих пор остается неопределенно стабильным, — это свинец-207. Все более тяжелые элементы находятся в зоне альфа-распада. Энергии связи на нуклон и период полураспада все менее стабильных тяжелых элементов:

Bismuth 209 — 1,9 × 10 19 лет , Binding Energy 7,847985 MEV
Thorium 232 — 14 миллиардов лет , Binding Energy 7.6112 MEV
Урана 238 –. 7,57012 МэВ
Плутоний 244 — 79,3 млн. Год , Связывание Энергии 7,524817 MEV
Curium 247 — 15,6 миллион , связывание энергии 900 247 — 15,6 млн года , связывание энергии 9000 — 15,6 миллион.0003 7.501928 MEV
NEPTUNIUM 237 — 2,144 млн лет , Energy Binding 7,575 MEV
Protactinium 231 — 32,760 года , Binding Energy 7,61842 ME. 7,530169 МэВ
Радий 226 – 1,602 лет, энергия связи 7,66195 МэВ
Берклий 247 – 1380 лет ,0 энергия связи8936 MeV
Californium 251 – 898 years , binding energy 7.470502 MeV
Polonium 209 – 103 years , binding energy 7.83518 MeV
Actinium 227 – 21.7 years , binding energy 7.6507 MeV
Эйнштейний 252 – 1,29 года , энергия связи 7,45724 МэВ
Фермий – 257 – 100 дней , энергия связи 9 0 90 90 МэВ
1 7,4 7,40063 Mendelevium 258 — 51,5 дня , энергия связывания 7,4096 MEV
Радон 222 — 3,82 дня , энергия связы 265 – 19 часов , энергия связи 7,354 МэВ
Лоуренсий 266 – 11 часов , энергия связи 7,364 МэВ

часов 1 9,3 9,063 Астат0004, Binding Energy 7,8116 MEV

Lawrencium 262 — 3,6 часа , Energy Binding 7,374 MEV
Rutherford 267 — 1,3 часа , связывание энергии 7,343 ME 267 — 1,3 часа , связывание энергии 7. 343 ME 267 — 1,3 часа , связывание энергии 7,343 ME 274V ME 267. энергия связи 7,4 МэВ
Франций 223 – 22 минуты , энергия связи 7,683 МэВ
Хассий 277 – 130 секунд 6 Me 92 904 20 ,3 энергия связи0004
Seaborgium 271 — 115 секунд , энергия связывания 7,307 MEV
Roentgenium 282 — 90 секунд , Energy 7.214 MEV
BOHRIUM 273 – 614.
BOHRIUM 273 – 614. 444778 7.148 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 778 7.148 7.214.
Коперниций 285 – 29 секунд , энергия связи 7,195 МэВ
Унутрий 286 – 20 секунд , энергия связи 7,174 МэВ Дартий2 8
8
80003 19 секунд , Энергия связывания 7,228 МэВ
Флеровий 289 — 9,8 секунды , Энергия связывания 7,159 МэВ
Meitnerium 279 — 7,6 секунды , связывание энергии 7 7. 24444444. 7,6 секунды , связывание энергии 7 7.2444444444. 7,6 секунды . секунд , энергия связи 7,123 МэВ
Унунпентий 289 – 0,22 секунды , энергия связи 7,14 МэВ
Унунсептий 294 – 0, 9004 энергия связи 0,22 секунды , энергия связи 7,14 МэВ-14 секунд). Существует несколько возможностей, наиболее вероятными из которых являются следующие:
Сильно пессимистичный прогноз – последние несколько элементов до Ununseptium были необычайно стабильны, но эта тенденция не будет продолжаться, каждый дополнительный элемент будет на ±1 порядок менее стабилен и окончательный элемент будет располагаться в диапазоне 128-132
Слегка пессимистичный прогноз – судя по цифрам между Berkelium и Ununoctium, каждый дополнительный элемент будет примерно на ±0,66 порядка менее стабилен, конечный элемент будет располагаться в диапазон 137-141
Нейтральная проекция. -14 секунд. Последний элемент, вероятно, будет расположен где-то в диапазоне 9-14 секунд, чисто теоретически, верхняя граница элементов была бы только в точке, где влияние гравитации превзошло бы сильную силу , тогда объект считался бы нейтронной звездой.
Эти оценки полностью основаны на статистике без каких-либо предположений о том, что могут существовать крупные островки стабильности. Однако я очень надеюсь, что в будущем мы, наконец, узнаем, как далеко заходит периодическая таблица.
Наконец-то мы узнаем, как образовались тяжелые элементы во Вселенной
Исследователи обнаружили следы стронция после слияния нейтронных звезд.
(Изображение предоставлено: ESO/Л. Кальсада/М. Корнмессер)
Ученые впервые обнаружили в космосе новый тяжелый элемент, образовавшийся в результате столкновения пары мертвых звезд, известных как нейтронные звезды.
Полученные данные проливают свет на то, как создаются самые тяжелые элементы во Вселенной, предоставляя недостающую часть головоломки образования химических элементов, говорится в новом исследовании, описывающем полученные данные.
Результаты также подтвердили, что « нейтронных звезд содержат нейтроны в », сообщил Space.com ведущий автор исследования Дарак Уотсон, астрофизик из Института Нильса Бора Копенгагенского университета. «Это звучит очень глупо, но это то, чего мы не знали наверняка. Теперь все, что мы нашли, указывает на элементы, которые образовались только в присутствии большого количества нейтронов».
Связанный: Первый проблеск сталкивающихся нейтронных звезд дает потрясающие фотографии
Ранняя Вселенная
Три самых легких элемента во Вселенной — водород, гелий и литий — были созданы в самые ранние моменты существования космоса, сразу после Большого взрыва. Большая часть элементов тяжелее лития, вплоть до железа в периодической таблице, образовалась миллиарды лет спустя в ядрах звезд.
Но как были созданы элементы тяжелее железа, такие как золото и уран, долгое время оставалось неясным. Предыдущие исследования предложили ключевую подсказку: чтобы атомы вырастали до огромных размеров, им нужно было быстро поглощать нейтроны. Такой быстрый захват нейтронов, известный как « r-процесс «для краткости, происходит в природе только в экстремальных условиях, когда атомы бомбардируются большим количеством нейтронов.
Предыдущие исследования предполагали, что вероятным источником элементов r-процесса могут быть катастрофические последствия слияний нейтронных звезд. , которые представляют собой сверхплотные ядра звезд, оставшиеся после катастрофических, взрывных смертей звезд, известных как сверхновые. Название нейтронной звезды происходит от того, насколько сильно их гравитационное притяжение, чтобы свести протоны и электроны вместе, чтобы сформировать нейтроны.
Наблюдение за слиянием нейтронных звезд
В 2017 году астрономов впервые стали свидетелями слияния пары нейтронных звезд. Ученые сделали открытие, обнаружив гравитационные волны , или рябь в ткани пространства-времени, которые возникли в результате столкновения, произошедшего примерно в 130 миллионах световых лет от Земли. После открытия этого слияния, получившего название GW170817, ученые продолжили телескопические наблюдения с Земли.
«Этот взрыв двигался со скоростью, равной 30% скорости света, поэтому за день он увеличился со 100 километров [60 миль] до размеров Солнечной системы», — сказал Уотсон.
Уотсон и его коллеги подозревали, что если во время GW170817 действительно образовались более тяжелые элементы, следы этих элементов могут быть обнаружены во взрыве после слияния, известном как килонова. Они сосредоточились на длинах волн света или спектральных линиях, которые с помощью спектроскопии ученые связали с конкретными элементами.
Предыдущая работа предполагала присутствие тяжелых элементов в килоновой, но до сих пор астрономы не могли точно определить отдельные элементы в последствии. Это связано с тем, что «более тяжелые элементы могут создавать смеси из десятков миллионов спектральных линий», — сказал Уотсон. «Мы никогда не могли отличить один элемент от другого».
Однако, повторно проанализировав данные о слиянии 2017 года, Уотсон и его коллеги теперь определили сигнатуру тяжелого элемента стронция внутри огненного шара. На Земле стронций естественным образом содержится в почве и концентрируется в некоторых минералах. Соединения стронция даже помогают придать фейерверкам ярко-красный цвет.
Ключ стронция
Ключом к успеху этой исследовательской группы была атомная структура стронция, которая относительно проста для такого тяжелого элемента. Из-за своей структуры электрически заряженная версия стронция производит две мощные спектральные линии в синем и инфракрасном свете.
«Тот факт, что мы можем обнаружить любой элемент в этом радиоактивном взрыве, весьма удивителен, — сказал Уотсон.
Это открытие было неожиданным, потому что, хотя стронций является тяжелым элементом, он также является одним из самых легких элементов r-процесса. В предыдущих исследованиях ученые ожидали найти «более тяжелые тяжелые элементы» или более тяжелые элементы r-процесса «при взгляде на килонову», сказал Уотсон.
Ключ к этой удивительной находке может быть связан с призрачными частицами, известными как нейтрино, которые обычно проходят через обычную материю, но иногда могут сталкиваться с протонами или нейтронами.
«Чтобы создать относительно легкий тяжелый элемент, такой как стронций, вам нужно сначала разрушить несколько нейтронов — вам нужно бомбардировать их нейтрино, чтобы они быстрее распадались на протоны и электроны», — сказал Уотсон. «Это говорит нам немного больше о том, что происходит внутри нейтронных звезд и что происходит во время таких слияний».
В настоящее время ученым может быть сложно обнаружить другие тяжелые элементы в результате столкновений нейтронных звезд, поскольку качественных данных об атомных структурах тяжелых элементов мало, учитывая их сложную природу, сказал Уотсон. Тем не менее, в течение следующих нескольких лет он и его коллеги надеются собрать данные, которые могут помочь им обнаружить другие тяжелые элементы в килоновых, сказал он.
Ученые подробно описали свои открытия в выпуске журнала Nature от 24 октября.
Космический кокон, порожденный мощной катастрофой нейтронной звезды
Древняя нейтронно-звездная катастрофа произвела достаточно золота и урана, чтобы заполнить океаны (открывается в новой вкладке)
Следите за Чарльзом Чоем в Твиттере @cqchoi . Следите за нами в Twitter @Spacedotcom и в Facebook .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Чарльз К. Чой — автор статей для Space.com и Live Science. Он охватывает все, что связано с человеческим происхождением и астрономией, а также физику, животных и общие научные темы. Чарльз имеет степень магистра гуманитарных наук Университета Миссури-Колумбия, Школу журналистики и степень бакалавра гуманитарных наук Университета Южной Флориды. Чарльз побывал на всех континентах Земли, пил прогорклый чай с маслом яка в Лхасе, плавал с морскими львами на Галапагосских островах и даже взбирался на айсберг в Антарктиде. Посетите его на http://www.sciwriter.us
3 вопроса: Происхождение самых тяжелых элементов космоса | MIT News
Reticulum II — древняя и слабая карликовая галактика, обнаруженная на снимках, сделанных в рамках Исследования темной энергии. Она вращается вокруг галактики Млечный Путь на расстоянии около 100 000 световых лет от нас. Хотя на первый взгляд галактика выглядит скромно, химический состав ее звезд может дать ключ к разгадке 60-летней тайны космического происхождения самых тяжелых элементов в периодической таблице. Сегодня в журнале Nature , группа астрономов из Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института и обсерваторий Института Карнеги в Вашингтоне сообщает о наблюдениях этой уникальной галактики с помощью телескопов Magellan в обсерватории Лас-Кампанас в пустыне Атакама в Чили. Ведущий автор и аспирант физического факультета Массачусетского технологического института Алекс Джи объясняет больше.
Q: Как самые тяжелые элементы в периодической таблице созданы в космосе?
А: Карл Саган популяризировал представление о том, что мы все сделаны из звездного материала. Он мог бы сказать это с уверенностью, потому что мы на самом деле знаем, где во Вселенной производится почти каждый элемент периодической таблицы. Но в нашем понимании есть дыра. Самые тяжелые элементы производятся в так называемом «процессе быстрого захвата нейтронов» или, для краткости, «r-процессе», при котором тяжелые элементы быстро образуются из более легких затравочных ядер. Золото, платина и уран являются элементами r-процесса, как и более экзотические элементы, такие как европий, неодим и гадолиний.
Ядерная физика r-процесса была в основном разработана к 1957 году, но уже почти 60 лет астрономы спорят об астрофизическом объекте, который мог бы обеспечить экстремальные условия для возникновения r-процесса. Для синтеза элементов r-процесса требуются среды с очень большим количеством нейтронов. Двумя лучшими кандидатами являются сверхновые звезды и сливающиеся нейтронные звезды. Сверхновые — это взрывы, знаменующие конец жизни массивной звезды. Они часто оставляют после себя остаток, называемый нейтронной звездой. При формировании нейтронной звезды выделяется большое количество нейтронов. Если две из этих нейтронных звезд вращаются вокруг друг друга, они в конечном итоге сольются в одну гигантскую нейтронную звезду. При этом взрыве выделяются нейтроны и могут образовываться элементы р-процесса.
Q: Как эта карликовая галактика помогает нам понять местонахождение r-процесса?
A: Ретикулум II — не первая древняя карликовая галактика, химический состав которой исследовали; это на самом деле 10-й. Но ее химический состав полностью отличается от этих других галактик. Звезды в этих первых девяти галактиках имеют необычно низкое количество элементов r-процесса. Reticulum II, с другой стороны, битком набит элементами r-процесса. Его звезды демонстрируют одни из самых высоких улучшений r-процесса, которые мы когда-либо видели. Это почти буквально золотая жила.
Это означает, что одно редкое событие произвело довольно большое количество этого материала r-процесса. Затем все эти элементы были включены в окружающий газ, а оттуда в следующие поколения звезд. Это те звезды, которые мы можем наблюдать и сегодня. Единственное массовое событие r-процесса в этой галактике предполагает, что слияние нейтронных звезд могло произвести эти элементы в ранней Вселенной. Обычная сверхновая произвела бы меньше, и наблюдаемое усиление не могло быть таким высоким, хотя также предполагается, что редкие сверхновые, управляемые магнитным полем, могут производить гораздо больше материала r-процесса.
Интересно, что существуют косвенные доказательства того, что слияния нейтронных звезд также синтезируют элементы r-процесса во Вселенной сегодня. Таким образом, похоже, что слияния нейтронных звезд могут быть основными местами r-процесса на протяжении всего космического времени. Удивительно думать, что Reticulum II сохранил след этого необычного события более 12 миллиардов лет, просто ожидая, пока мы его раскопаем.
Q: Каково было стоять у телескопа и понимать, что ты нашел?
A: Основываясь на изучении других ультраслабых галактик, я ожидал найти звезды практически без этих элементов r-процесса и установить, что эти типы карликовых галактик лишены этих элементов. Таким образом, у нас был план получить некоторые действительно хорошие, низкие верхние ограничения на содержимое r-процесса, чтобы продвинуть эту проблему. Когда мы поняли, что звезды в этой галактике были полной противоположностью и вместо этого были полны элементов r-процесса, я был уверен, что что-то напортачил. Из телескопа в Чили я посреди ночи позвонил своему советнику Анне Фребель в Кембридж [Массачусетс], чтобы срочно поговорить о том, что происходит. В конце концов, время телескопа драгоценно и дорого, и его нельзя тратить впустую.
В ходе последовавших часовых дискуссий я продолжал наблюдать за другими звездами, проводя предварительный анализ имеющихся данных, чтобы убедиться, что это настоящий сигнал.