Perché il mercurio è un liquido a temperatura ambiente? Se fai questa domanda in un’aula scolastica probabilmente ti verrà detto che la relatività influenza gli orbitali dei metalli pesanti, contraendoli e cambiando il modo in cui si legano. Tuttavia, la prima prova che questa spiegazione è corretta è stata appena pubblicata.

Un team internazionale guidato da Peter Schwerdtfeger della Massey University di Auckland in Nuova Zelanda ha utilizzato la meccanica quantistica per effettuare calcoli della capacità termica del metallo includendo o escludendo gli effetti relativistici. Hanno dimostrato che se ignoravano la relatività quando facevano i loro calcoli, il punto di fusione previsto del mercurio era di 82°C. Ma se includevano effetti relativistici, la loro risposta corrispondeva strettamente al valore sperimentale di -39°C.

La relatività afferma che gli oggetti diventano più pesanti più velocemente si muovono. Negli atomi, la velocità degli elettroni più interni è correlata alla carica nucleare. Più grande è il nucleo, maggiore è l’attrazione elettrostatica e più velocemente gli elettroni devono muoversi per evitare di cadere in esso. Quindi, scendendo lungo la tavola periodica questi elettroni 1s diventano sempre più veloci, e quindi più pesanti, causando la contrazione del raggio dell’atomo. Ciò stabilizza alcuni orbitali, che hanno anche una loro natura relativistica, mentre destabilizzano altri. Questa interazione significa che per elementi pesanti come mercurio e oro, gli elettroni esterni sono stabilizzati. Nel caso di mercurio, invece di formare legami tra atomi di mercurio vicini, gli elettroni rimangono associati ai propri nuclei, e forze interatomiche più deboli come i legami di van der Waals tengono insieme gli atomi.

Long time coming

Nel 1960, Pekka Pyykkö, ora all’Università di Helsinki, in Finlandia, scoprì che il colore dell’oro era il risultato di effetti relativistici. Ha dimostrato che i livelli di energia più bassi dell’orbitale 6s d’oro significa che l’energia necessaria per eccitare un elettrone dalla banda 5d si trova nella gamma di luce visibile piuttosto che UV. Ciò significa che l’oro assorbe la luce blu, mentre riflette la luce gialla e rossa, ed è questo che conferisce al metallo la sua tonalità caratteristica. Se le energie delle due bande sono state calcolate senza includere effetti relativistici, l’energia richiesta è molto maggiore. Ulteriori calcoli hanno successivamente mostrato l’influenza della relatività sul colore e sulle lunghezze di legame dei composti di metalli pesanti, nonché la sua importanza nella catalisi. Tuttavia, il basso punto di fusione del mercurio potrebbe ancora essere descritto come “probabilmente” a causa di effetti relativistici.

“A livello speculativo e ondeggiante, questa idea esiste dalla fine degli anni‘70″, spiega Pyykkö, che non è stato coinvolto nel lavoro, ” ma questa è la prima prova quantitativa.’

Il team di Schwerdtfeger, in particolare, ha lavorato sul problema per un paio di decenni. Il motivo del ritardo, spiega, era che fino a poco tempo fa i computer non potevano completare i potenti calcoli eseguiti dal team. “È stato necessario molto tempo al computer”, aggiunge, ” e gli algoritmi utilizzati sono più efficienti al giorno d’oggi.’

Ma al di là di renderlo nei libri di testo, che questo lavoro sarà sicuramente fare, Schwerdtfeger spera che mostrando che il suo approccio funziona può essere utilizzato per calcolare i punti di fusione di altri sistemi metallici.

Ma ancora più importante, la prossima volta che un insegnante viene chiesto di uno degli esempi più cospicui di relatività, sapranno che ci sono prove per eseguire il backup della loro spiegazione.