Pourquoi le mercure est-il un liquide à température ambiante? Si vous posez cette question dans une classe d’école, on vous dira probablement que la relativité affecte les orbitales des métaux lourds, les contractant et modifiant leur liaison. Cependant, la première preuve que cette explication est correcte vient tout juste d’être publiée.

Une équipe internationale dirigée par Peter Schwerdtfeger de l’Université Massey d’Auckland en Nouvelle-Zélande a utilisé la mécanique quantique pour calculer la capacité thermique du métal, en incluant ou en excluant les effets relativistes. Ils ont montré que s’ils ignoraient la relativité lors de leurs calculs, le point de fusion prévu du mercure était de 82 ° C. Mais s’ils incluaient des effets relativistes, leur réponse correspondait de près à la valeur expérimentale de -39 ° C.

La relativité indique que les objets deviennent plus lourds plus ils se déplacent rapidement. Dans les atomes, la vitesse des électrons les plus internes est liée à la charge nucléaire. Plus le noyau est grand, plus l’attraction électrostatique est grande et plus les électrons doivent se déplacer rapidement pour éviter d’y tomber. Ainsi, au fur et à mesure que vous descendez dans le tableau périodique, ces électrons 1s deviennent de plus en plus rapides, et donc plus lourds, entraînant une contraction du rayon de l’atome. Cela stabilise certaines orbitales, qui ont également un caractère relativiste propre, tout en déstabilisant d’autres. Cette interaction signifie que pour les éléments lourds comme le mercure et l’or, les électrons externes sont stabilisés. Dans le cas de mercure, au lieu de former des liaisons entre les atomes de mercure voisins, les électrons restent associés à leurs propres noyaux, et des forces interatomiques plus faibles telles que les liaisons de van der Waals maintiennent les atomes ensemble.

Depuis longtemps

Dans les années 1960, Pekka Pyykkö, aujourd’hui à l’Université d’Helsinki, en Finlande, a découvert que la couleur de l’or était le résultat d’effets relativistes. Il a montré que les niveaux d’énergie inférieurs de l’orbitale 6s de l’or signifient que l’énergie nécessaire pour exciter un électron de la bande 5d se situe dans la gamme de lumière visible plutôt que UV. Cela signifie que l’or absorbe la lumière bleue, tout en réfléchissant la lumière jaune et rouge, et c’est cela qui donne au métal sa teinte caractéristique. Si les énergies des deux bandes ont été calculées sans tenir compte des effets relativistes, l’énergie requise est beaucoup plus grande. D’autres calculs ont par la suite montré l’influence de la relativité sur la couleur et les longueurs de liaison des composés de métaux lourds, ainsi que son importance dans la catalyse. Cependant, le point de fusion bas du mercure ne pouvait encore être décrit que comme « probablement » dû à des effets relativistes.

« Au niveau spéculatif, cette idée existe depuis la fin des années 1970 », explique Pyykkö, qui n’a pas participé aux travaux, « mais c’est la première preuve quantitative.’

L’équipe de Schwerdtfeger, en particulier, travaille sur le problème depuis quelques décennies. La raison de ce retard, explique-t-il, était que jusqu’à récemment, les ordinateurs ne pouvaient pas terminer les calculs puissants effectués par l’équipe. « Beaucoup de temps informatique a été nécessaire », ajoute-t-il, « et les algorithmes utilisés sont plus efficaces de nos jours.’

Mais au-delà de l’intégrer dans les manuels, ce que ce travail fera certainement, Schwerdtfeger espère qu’en montrant que son approche fonctionne, il pourra être utilisé pour calculer les points de fusion d’autres systèmes métalliques.

Mais plus important encore, la prochaine fois qu’un enseignant sera interrogé sur l’un des exemples de relativité les plus visibles, il saura qu’il existe des preuves pour étayer son explication.