En la materia ordinaria hecha de átomos, los materiales con la densidad más alta son aquellos que contienen el mayor número de protones y neutrones por unidad de volumen. (La mayor parte de la masa de un átomo está en su núcleo; los electrones contribuyen en una cantidad casi insignificante a la masa del átomo).
¿Cómo maximizamos el número de protones y neutrones por unidad de volumen? Hay algunos factores que intervienen en esto:
- Los elementos con números atómicos más altos tienen más protones, y la mayoría de las veces también tienen más neutrones. Puede variar con el isótopo del elemento; El “peso atómico” que se proporciona en la Tabla periódica es el del isótopo más estable conocido. Está muy cerca del número combinado de protones y neutrones en el núcleo del átomo.
- El tamaño de la capa de electrones más externa del átomo determina la forma en que los múltiples átomos de un elemento se pueden empaquetar juntos (suponiendo que estén lo más densamente posible, tal vez como un líquido súper enfriado amorfo (un sólido vítreo sin una estructura cristalina) Por ejemplo, derrita uno de los elementos metálicos densos, deje que el charco de metal fundido sea extremadamente delgado y poco profundo, luego aplíquelo con un chorro de nitrógeno líquido para “solidificarlo” más rápido de lo que se puede formar cualquier cristal.
- La estructura cristalina de la forma sólida del elemento, que depende de qué tipos de enlaces químicos se hacen entre los átomos. Por ejemplo, hay diferentes alótropos de carbono (diamante, grafito, nanotubo, buckeyball), y también diferentes alótropos de fósforo y estaño. Los diferentes alótropos tienen estructuras cristalinas muy diferentes y, por lo tanto, tendrán densidades diferentes.
- La presión bajo la cual se expone el material sólido. Una bola de metal sólido de 10 centímetros de radio en realidad puede ser comprimible a solo 6 centímetros de radio si se la somete a una presión de millones de libras por pulgada cuadrada (como en el centro del núcleo de la tierra, o si está rodeada por una detonación esférica-simétrica de explosivo alto, como la bola de plutonio en una de las bombas atómicas originales). En lo profundo del Sol (en su núcleo, donde ocurre la fusión termonuclear), en realidad es bastante denso allí, ¡tal vez hasta 150 veces más que el agua! (En comparación, el oro es aproximadamente 19 veces más denso que el agua, el iridio es 22 veces más denso y el osmio es 23 veces más denso, lo que hace que el núcleo del Sol sea 6 veces más denso que el que aparece aquí en la superficie de la Tierra en forma refinada!) Esto se debe a que las presiones en el núcleo del Sol son increíblemente altas, algo así como 250 mil millones de atmósferas. Además, el núcleo del Sol no es sólido, sino que es un plasma súper-presurizado, súper-denso y súper-caliente que se comportaría como un fluido.
Para encontrar algo con una densidad mucho más alta que un núcleo estelar, solo mira una estrella de neutrones (que es muy probable que sea un púlsar, con un campo magnético súper fuerte y un giro rápido). Tiene la misma densidad que un núcleo atómico porque, básicamente, eso es lo que es: solo una bola gigante de neutrones unidos por una inmensa gravedad. Como a menudo se afirma en tantos artículos y documentales sobre las estrellas de neutrones, una “cucharadita llena” de estrella de neutrones tendría una masa del orden de “mil millones de toneladas”, “la misma masa que el Mt. Everest “, o” la masa de todos los Grandes Lagos de Michigan “. (No sé cuál de estas estimaciones es la más precisa, pero la idea importante que se transmite es que las estrellas de neutrones son increíblemente densas. Además, la gravedad en la superficie de una de ellas podría aplastar cualquier cosa que alguna vez caiga sobre ella. , convirtiéndolo en el mismo material que la superficie de la estrella de neutrones.)
Para encontrar algo aún más denso que una estrella de neutrones, no busque más que la singularidad de un agujero negro. La física, tal como la entendemos, parece descomponerse cuando intentamos predecir matemáticamente la verdadera naturaleza de las entrañas de un agujero negro (cualquier cosa dentro de su horizonte de eventos), especialmente en el centro donde (supuestamente) toda la masa existe en un punto de tamaño cero Con densidad infinita. (¿Pero es esta * realmente * una descripción precisa del centro de un agujero negro? Los astro-físicos todavía están tratando de resolver esto. Tal vez con más avances en la teoría de cuerdas, algún día podamos unificar la física cuántica con la teoría general de la relatividad de Einstein y obtener una mejor comprensión de lo que sucede dentro de los agujeros negros)