Waarom is kwik een vloeistof bij kamertemperatuur? Als je die vraag in een schoolklaslokaal stelt, krijg je waarschijnlijk te horen dat relativiteit de orbitalen van zware metalen beïnvloedt, ze samentrekt en de binding verandert. Het eerste bewijs dat deze verklaring juist is, is echter pas onlangs gepubliceerd.een internationaal team onder leiding van Peter Schwerdtfeger van Massey University Auckland in Nieuw-Zeeland gebruikte kwantummechanica om berekeningen te maken van de warmtecapaciteit van het metaal, inclusief of exclusief relativistische effecten. Ze toonden aan dat als ze relativiteit negeerden bij het maken van hun berekeningen, het voorspelde smeltpunt van Mercurius 82°C was, maar als ze relativistische effecten includeerden, kwam hun antwoord nauw overeen met de experimentele waarde van -39°C.

Relativiteitstoestanden dat objecten zwaarder worden naarmate ze sneller bewegen. In atomen is de snelheid van de binnenste elektronen gerelateerd aan de nucleaire lading. Hoe groter de kern wordt hoe groter de elektrostatische aantrekkingskracht en hoe sneller de elektronen moeten bewegen om te voorkomen dat ze erin vallen. Dus, als je naar beneden gaat in het periodiek systeem worden deze 1s elektronen sneller en sneller, en dus zwaarder, waardoor de straal van het atoom krimpt. Dit stabiliseert sommige orbitalen, die ook een relativistisch karakter hebben, terwijl andere worden gedestabiliseerd. Dit samenspel betekent dat Voor zware elementen zoals Mercurius en goud de buitenste elektronen gestabiliseerd zijn. In het geval van Mercurius blijven de elektronen geassocieerd met hun eigen kernen en houden zwakkere interatomische krachten zoals Van der Waals-bindingen de atomen bij elkaar.in de jaren zestig ontdekte Pekka Pyykkö, nu aan de Universiteit van Helsinki, dat de kleur van goud het resultaat was van relativistische effecten. Hij toonde aan dat de lagere energieniveaus van de 6S orbitaal van goud betekent dat de energie die nodig is om een elektron uit de 5d band op te wekken in het zichtbare in plaats van UV bereik van licht ligt. Dit betekent dat goud blauw licht absorbeert, terwijl het geel en rood licht reflecteert, en dit geeft het metaal zijn karakteristieke tint. Als de energieën van de twee banden werden berekend zonder relativistische effecten op te nemen, is de benodigde energie veel groter. Verdere berekeningen hebben vervolgens de invloed van relativiteit op de kleur-en Bindingslengten van zware metaalverbindingen aangetoond, evenals het belang ervan in de katalyse. Het lage smeltpunt van kwik kon echter nog steeds alleen worden omschreven als ‘waarschijnlijk’ vanwege relativistische effecten.”op een met de hand zwaaiend, speculatief niveau bestaat dit idee al sinds het einde van de jaren 1970,” legt Pyykkö uit, die niet bij het werk betrokken was, ” maar dit is het eerste kwantitatieve bewijs.’

Schwerdtfeger ‘ s team, in het bijzonder, zijn bezig met het probleem voor enkele decennia. De reden voor de vertraging, legt hij uit, was dat tot voor kort computers de krachtige berekeningen van het team niet konden voltooien. ‘Er was veel computertijd nodig, ‘voegt hij toe,’ en de gebruikte algoritmen zijn tegenwoordig efficiënter.”

maar afgezien van het maken van het in de leerboeken, die dit werk zal zeker doen, Schwerdtfeger hoopt dat door aan te tonen dat zijn aanpak werkt het kan worden gebruikt om de smeltpunten van andere metalen systemen te berekenen.

maar nog belangrijker, de volgende keer dat een leraar wordt gevraagd naar een van de meest opvallende voorbeelden van relativiteit, zullen ze weten dat er bewijs is om hun verklaring te ondersteunen.