miksi elohopea on huoneenlämpötilassa nestettä? Jos esität tämän kysymyksen koululuokassa, sinulle luultavasti kerrotaan, että suhteellisuusteoria vaikuttaa raskasmetallien orbitaaleihin, supistaa niitä ja muuttaa niiden sidostapaa. Ensimmäiset todisteet selityksen oikeellisuudesta on kuitenkin vasta julkaistu.

Peter Schwerdtfegerin johtama kansainvälinen ryhmä Masseyn Aucklandin yliopistosta Uudesta-Seelannista käytti kvanttimekaniikkaa laskiessaan metallin lämpökapasiteettia joko relativististen vaikutusten mukaan tai ilman niitä. He osoittivat, että jos he jättivät suhteellisuusteorian huomioon ottamatta laskelmia tehdessään, elohopean ennustettu sulamispiste oli 82°C. Mutta jos ne sisälsivät relativistiset vaikutukset, niiden vastaus vastasi läheisesti kokeellista arvoa -39°C.

suhteellisuusteorian mukaan kappaleet tulevat sitä raskaammiksi, mitä nopeammin ne liikkuvat. Atomeissa sisimpien elektronien nopeus on suhteessa ydinvaraukseen. Mitä suurempi ydin saa sitä suuremman sähköstaattisen vetovoiman ja sitä nopeammin elektronien on liikuttava välttääkseen putoamasta siihen. Joten, kun menet alas jaksollisen järjestelmän nämä 1s elektronit tulevat nopeammin ja nopeammin, ja siksi raskaampia, aiheuttaen säde atomin kutistua. Tämä vakauttaa joitakin orbitaaleja,joilla on myös oma relativistinen luonteensa, kun taas toiset horjuttavat. Tämä vuorovaikutus tarkoittaa, että raskaille alkuaineille, kuten elohopealle ja kullalle, uloimmat elektronit stabiloituvat. Merkuriuksen tapauksessa elektronit eivät muodosta sidoksia vierekkäisten elohopea-atomien välille, vaan ne pysyvät yhteydessä omiin ytimiinsä, ja heikommat atomien väliset voimat, kuten van der Waalsin sidokset, pitävät atomit koossa.

pitkästä aikaa

1960-luvulla nykyisin Helsingin yliopistossa työskentelevä Pekka Pyykkö havaitsi, että kullan väri oli seurausta relativistisista vaikutuksista. Hän osoitti, että alempi energiatasot, 6s orbital of gold tarkoittaa, että energia tarvitaan herättämään elektronin 5D bändi sijaitsee näkyvän eikä UV-alueen valoa. Tämä tarkoittaa, että kulta absorboi sinistä valoa heijastaen samalla keltaista ja punaista valoa, ja juuri tämä antaa metallille sen tunnusomaisen sävyn. Jos kahden kaistan energiat laskettaisiin ilman relativistisia vaikutuksia, tarvittava energia on paljon suurempi. Myöhemmissä laskelmissa on myöhemmin osoitettu suhteellisuusteorian vaikutus raskasmetalliyhdisteiden väri-ja sidospituuksiin sekä sen merkitys katalyysissä. Elohopean alhaista sulamispistettä voidaan kuitenkin edelleen kuvata vain ”todennäköisesti” relativististen vaikutusten vuoksi.

”kättä heiluttaen, spekulatiivisella tasolla tämä ajatus on ollut olemassa 1970-luvun lopulta lähtien”, selittää Pyykkö, joka ei ollut mukana teoksessa, mutta tämä on ensimmäinen kvantitatiivinen todiste.”

erityisesti Schwerdtfegerin tiimi on työskennellyt ongelman parissa jo pari vuosikymmentä. Syynä viivästykseen oli hänen mukaansa se, että tietokoneet eivät vielä viime aikoihin asti kyenneet suorittamaan ryhmän suorittamia tehokkaita laskutoimituksia. ”Tarvittiin paljon tietokoneaikaa”, hän lisää, ” ja käytetyt algoritmit ovat nykyään tehokkaampia.”

mutta sen jälkeen, kun se on tehty oppikirjoihin, joita tämä työ varmasti tekee, Schwerdtfeger toivoo, että osoittamalla, että hänen lähestymistapansa toimii, sitä voidaan käyttää laskemaan muiden metallisten järjestelmien sulamispisteitä.

mutta mikä vielä tärkeämpää, seuraavan kerran kun opettajalta kysytään yhdestä suhteellisuusteorian näkyvimmistä esimerkeistä, he tietävät, että heidän selityksensä tueksi on todisteita.