miért a higany szobahőmérsékleten folyadék? Ha egy iskolai tanteremben felteszi ezt a kérdést, akkor valószínűleg azt fogják mondani, hogy a relativitás befolyásolja a nehézfémek pályáit, összekapcsolja őket, és megváltoztatja a kötés módját. Azonban az első bizonyíték arra, hogy ez a magyarázat helyes, csak most tették közzé.

az Új-zélandi Massey University Auckland Peter Schwerdtfeger vezette nemzetközi csapat kvantummechanikát használt a fém hőteljesítményének számításához, beleértve vagy kizárva a relativisztikus hatásokat. Kimutatták, hogy ha figyelmen kívül hagyják a relativitást számításaik során, akkor a higany várható olvadáspontja 82°C volt. de ha relativisztikus hatásokat tartalmaztak, válaszuk szorosan illeszkedik a -39°C kísérleti értékhez.

relativitás azt állítja, hogy az objektumok minél gyorsabban mozognak, annál nehezebbek lesznek. Az atomokban a legbelső elektronok sebessége a nukleáris töltéshez kapcsolódik. Minél nagyobb a mag, annál nagyobb az elektrosztatikus vonzerő, annál gyorsabban kell mozognia az elektronoknak, hogy ne essenek bele. Tehát, ahogy lemegy a periódusos ezek 1S elektronok egyre gyorsabb, ezért nehezebb, ami a sugár az atom zsugorodik. Ez stabilizálja egyes pályákat, amelyek szintén relativisztikus jellegűek, miközben destabilizálják másokat. Ez a kölcsönhatás azt jelenti, hogy a nehéz elemek, például a higany és az arany esetében a külső elektronok stabilizálódnak. A higany esetében a szomszédos higanyatomok közötti kötések kialakítása helyett az elektronok a saját magjukhoz kapcsolódnak, a gyengébb interatomi erők, például a van der Waals kötések együtt tartják az atomokat.

long time coming

az 1960-as években Pekka Pyykkö a finnországi Helsinki Egyetemen felfedezte, hogy az arany színe relativisztikus hatások eredménye. Megmutatta, hogy az arany 6s orbitális alacsonyabb energiaszintje azt jelenti, hogy az 5D sávból egy elektron gerjesztéséhez szükséges energia a látható, nem pedig az UV fénytartományban rejlik. Ez azt jelenti, hogy az arany elnyeli a kék fényt, miközben a sárga és a vörös fényt tükrözi, és ez adja a fém jellegzetes árnyalatát. Ha a két sáv energiáit relativisztikus hatások nélkül számítottuk ki, akkor a szükséges energia sokkal nagyobb. További számítások később kimutatták a relativitáselmélet hatását a nehézfémvegyületek színére és kötéshosszára, valamint annak fontosságát a katalízisben. A higany alacsony olvadáspontját azonban a relativisztikus hatások miatt még mindig csak “valószínűleg” lehet leírni.

“kézzel integető, spekulatív szinten ez az ötlet az 1970-es évek vége óta létezik” – magyarázza Pyykkö, aki nem vett részt a munkában, ” de ez az első mennyiségi bizonyíték.”

Schwerdtfeger csapata különösen néhány évtizede dolgozik a problémán. A késés oka, magyarázza, az volt, hogy a közelmúltig a számítógépek nem tudták befejezni a csapat által végzett erőteljes számításokat. Sok számítógépes időre volt szükség-tette hozzá -, és az alkalmazott algoritmusok manapság hatékonyabbak.”

de azon túl, hogy bekerült a tankönyvekbe, amelyeket ez a munka biztosan meg fog tenni, Schwerdtfeger reméli, hogy azzal, hogy megmutatja, hogy megközelítése működik, felhasználható más fémrendszerek olvadáspontjainak kiszámításához.

de ami még fontosabb, ha legközelebb egy tanárt megkérdeznek a relativitás egyik legszembetűnőbb példájáról, tudni fogják, hogy van bizonyíték a magyarázatuk alátámasztására.