От чего зависит плотность?

Строгой зависимости плотности вещества от атомного номера и атомной массы нет. Почему так? Видимо, потому, что плотность зависит от двух факторов: массы атома, прежде всего его ядра, и от того, как атомы упакованы, фактически от размера атома. Попробуем эту зависимость проявить на примере металлов и полуметаллов.

Плотность у них изменяется в пределах от 0,53 г/см³ (литий) до 22,6 г/см³ (осмий, иридий). Диапазон размеров атомов составляет 2,44·10^-10 м (германий) – 5,34·10^-10 м (цезий). Диаметры ядер находятся в рамках 4,96·10^-15 м (литий) – 15,43·10^-15 м (висмут, полоний). А вот какие графики получаются, если попытаться связать эти величины.

Для начала возьмем зависимость плотности от диаметра атома. Как видно из рисунка (рис. 1), эта зависимость очень размыта.

1. Связь между диаметром атома Da и плотностью ρ соответствующего вещества

Более значимую связь можно наблюдать между диаметрами ядер атомов и плотностью веществ (рис. 2). Точки, отвечающие веществам с относительно большей плотностью, лежат заметно выше регрессионной прямой (например, алюминий, медь, родий, осмий). Точки веществ с низкой плотностью (калий, рубидий, цезий и другие) расположены ниже этой прямой. Это объясняется относительно большим размером электронных оболочек щелочных металлов.

2. Связь между диаметром ядра атома Dn и плотностью ρ соответствующего вещества

А что будет, если взять отношение объемов ядра и атома? Это отношение компенсирует влияние разных расстояний между электронными оболочками атомов веществ и, оказывается, получается хорошая зависимость (рис. 3).

3. Связь отношения (Dn)3/(Da)3 и плотностью ρ соответствующего вещества (для металлов и полуметаллов)

Такая довольно строгая закономерность показывает, что плотность вещества напрямую зависит от массы ядра и объема, который занимают в пространстве крайние электронные оболочки атомов. Следует отметить, что масса ядра определяет и его объем.

Наличие зависимости, объединяющей как легкие, так и тяжелые элементы, подтверждает идею, что форма атома и ядра для многих элементов близка к сферической. Самые заметные отклонения от нее в сторону пониженных значений плотности есть у мышьяка, сурьмы и особенно у германия, все трое — полуметаллы. Скорее всего, у этих элементов атом, ядро или оба сразу далеки от сферичности.

Доктор технических наук
Ф.Ф. Горбацевич,
Кольский научный центр РАН

Более подробно можно прочитать здесь:

Горбацевич Ф.Ф. Связь плотности металлов и полуметаллов с размерами их атомов и ядер. Инженерная физика, 2022, 3.