Почему связь между атомным номером и плотностью не является линейной?

В атомном масштабе есть две вещи, которые входят в плотность, а именно:$\rho=\frac{\mbox{mass}}{\mbox{volume}}$. Во-первых, у нас есть числовая плотность, которая$n=\frac{\mbox{number of atoms}}{\mbox{volume}}$. Тогда у нас также есть масса на атом,$\mu=\frac{\mbox{mass}}{\mbox{atom}}$. Легко видеть, комбинируя эти уравнения, что плотность тогда$\rho=n\mu$- это зависит как от числовой плотности, так и от атомных весов.

В то время как масса на атом,$\mu$, увеличивается линейно (очень грубо говоря) по мере увеличения атомного номера, числовая плотность не увеличивается линейно. Это связано с тем, что взаимодействия между реальными атомами заставляют их группироваться ближе друг к другу, поэтому вы получаете более высокое значение$n$в приведенном выше уравнении для одних атомов, но намного ниже для других. Например, на этом графике, на который вы ссылались выше:

Эти всплески плотности вызваны гораздо более высокой числовой плотностью, которая, в свою очередь, вызвана металлическим притяжением между атомами. Самые глубокие долины — это благородные газы, которые практически не имеют никакого взаимного притяжения.

Изучите плотности двухатомных газообразных элементов ($\text{H}_2$,$\text{N}_2$,$\text{O}_2$) на СТП. Сравните с их соответствующими атомными весами. Также посмотрите на плотность инертных газов в STP. Опять же, обратите внимание, как они примерно соотносятся с атомным весом.

Выбирая материалы, которые являются более или менее идеальными газами, я изолировал систему от эффектов почти всей беспорядочной химии, которая заставляет другие состояния материи не масштабироваться (исключением является вопрос о том, сколько атомов входит в каждую молекулу, которая является почему я разделил свои примеры на две группы).

Для конденсированных состояний материи (жидких и твердых тел) химия сильнее связана с межмолекулярными силами. Это наиболее очевидно в кристаллических твердых телах, поскольку геометрия кристалла определяет числовую плотность атомов как с точки зрения длины межатомных связей, так и с точки зрения симметрии кристаллической структуры.

Я думаю, что ваш аргумент предполагает, что плотность материала обусловлена ​​​​плотностью атомов, и я попытаюсь ответить на него как таковой.

Ответ во многом из-за химии.

Например, все благородные газы имеют низкую плотность, потому что они газы. Они газы, потому что не соединяются химически. Они не объединяются химически, потому что все их атомные орбитали уже заполнены. А их атомные орбитали заполнены, потому что у них как раз «правильное» количество электронов. С другой стороны, все щелочные металлы имеют один дополнительный электрон. Все они образуют металлы и поэтому значительно плотнее инертных газов, стоящих рядом с ними по атомному номеру.