Kann ein Material aus einem schwereren Isotop eines Elements härter oder fester werden?

Ich habe mich gefragt, ob Experimente durchgeführt wurden, um zu messen, ob sich die Härte oder Festigkeit eines Materials ändert, das ausschließlich aus einem schwereren Isotop eines Elements besteht, das Bestandteil des Materials ist. Oder wenn die Festigkeit oder Härte mit zunehmendem Anteil an schwereren Isotopen der Atome eines bestimmten Elements im Material zunimmt.

Ist der Brinnel-Härtetest gut für Ihre Frage? Und betrachten Sie ein bestimmtes Element Kohlenstoff, Zinn ... oder allgemein.
Es ist bekannt, dass isotopenreiner C-12-Diamant eine um 50 % höhere Wärmeleitfähigkeit als normaler Diamant hat. Das ist jedoch Phononenstreuung am Werk. Ich kann keine Härtemessungen finden, habe aber nicht zu genau gesucht (Wortspiel beabsichtigt).
Ich würde denken, dass das Hinzufügen eines Neutrons zum Kern die Härte nicht beeinflussen würde.
Ich habe mich gefragt, ob dies überhaupt für irgendein Material gelten könnte. Ich glaube, es stimmt, dass Neutronen eine Affinität zu Protonen haben und sie zusammenhalten müssen. Ich spekuliere, dass Neutronen ein wenig anziehende Kräfte übrig haben, die benachbarte Atome leicht an sich ziehen könnten, wodurch das Material etwas dichter wird, was härter bedeuten könnte. Meine eigentliche Frage ist, ob es einige Anziehungskräfte von Neutronen gibt, die von dem Kern übrig geblieben sind, in dem sie sich befinden.
Isotopenreine Diamanten bestehen nur aus C 12 wurden getestet und für noch härter als normale Diamanten befunden. Das könnte daran liegen, dass C 13 Atome in normalen Diamanten wirken für einige Gittereigenschaften wie Verunreinigungen (was die Härte durchaus verringern könnte). Ich würde wetten, dass das Gleiche gefunden würde, wenn es isotopenrein wäre C 13 Diamanten konnten getestet werden.

Antworten (3)

Die Kernkraft ist eine Kontaktkraft mit potentieller Energiekurve

v ∝ e − r / r 0 r .
Der Bereichsparameter r 0 ist ungefähr ein Femtometer. Kerne in einem Festkörper sind typischerweise 10 5 f m auseinander, so dass die nukleare Wechselwirkung zwischen Kernen verschiedener Atome erstaunlich unterdrückt wird.

Wenn Sie sich einen Festkörper als ein Gitter aus Atomen vorstellen, die durch Federn mit Hooke-Konstante verbunden sind k , die Eigenfrequenzen dieser Oszillatoren,

ω 0 = k / m ,
wird für Kristalle verschiedener Isotope unterschiedlich sein. Beispielsweise beträgt der Massenunterschied zwischen Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 etwa 8 %, sodass ein C-13-Diamant im Vergleich zu einem C-12-Diamanten eine um etwa 4 % geringere Resonanzfrequenz hätte. Meine naive Erwartung ist, dass dies wahrscheinlich die Wärmekapazität und möglicherweise die Wärmeleitfähigkeit ändern würde, aber ich weiß nicht viel über Härte oder andere mechanische Eigenschaften.

Es gibt einen kleinen Effekt, der in den anderen Antworten noch nicht behandelt wurde. Wenn wir die Schrödinger-Gleichung für die Elektronenorbitale lösen, verwenden wir die sogenannte reduzierte Masse

μ = m e m n / ( m e + m n )
Daher werden die Lösungen für die Orbitale etwas anders sein, wenn dem Kern zusätzliche Neutronen hinzugefügt werden. Die Elektronenmasse ist so viel kleiner als die Kernmasse, dass dies ein wirklich winziger Effekt ist und für die Eigenschaften, die Sie in Betracht ziehen, wahrscheinlich nicht experimentell beobachtbar ist.

Ihr letzter Satz könnte vielleicht etwas mehr Klarstellung gebrauchen; Ich denke, Sie meinen, dass der Gravitationseffekt sehr viel schwächer ist als die elektrostatische Anziehung (und daher hat eine Änderung der Kernmasse um einen bescheidenen Betrag nur einen winzigen Gesamteffekt), aber das hat wenig mit der Masse des Elektrons zu tun.
@NathanTuggy Nein, ich beziehe mich nicht auf einen Gravitationseffekt, sondern auf die Wirkung auf die Elektronenwellenfunktion durch eine etwas andere reduzierte Masse.

Wenn ich mich auf meinen Hintergrund in der Chemie beziehe und einige meiner Freunde aus der Keramiktechnik frage, lautet die Antwort "Nein". Wir waren uns einig, dass der Kern keine physikalische Eigenschaft auf die Härte oder Festigkeit ausübt, sondern die "Elektronenwolke" und ihre Wechselwirkungen. Die Elektronen werden durch die unterschiedlichen Isotope in keiner Weise beeinflusst.

Kann ein Material aus einem schwereren Isotop eines Elements härter oder fester werden?
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