Dlaczego rtęć jest cieczą w temperaturze pokojowej? Jeśli zadasz to pytanie w klasie szkolnej, prawdopodobnie dowiesz się, że teoria względności wpływa na orbitale metali ciężkich, kurcząc je i zmieniając sposób ich wiązania. Jednak pierwszy dowód na poprawność tego wyjaśnienia dopiero został opublikowany.

międzynarodowy zespół kierowany przez Petera Schwerdtfegera z Massey University Auckland w Nowej Zelandii wykorzystał mechanikę kwantową do obliczeń pojemności cieplnej metalu, włączając lub wyłączając efekty relatywistyczne. Wykazali, że jeśli zignorowali względność podczas dokonywania obliczeń, przewidywana temperatura topnienia rtęci wynosiła 82°C. Ale jeśli uwzględnili efekty relatywistyczne, ich odpowiedź ściśle dopasowała się do wartości eksperymentalnej -39°C.

teoria względności stwierdza, że obiekty stają się cięższe, im szybciej się poruszają. W atomach prędkość najbardziej wewnętrznych elektronów jest związana z ładunkiem jądrowym. Im większe jądro, tym większe przyciąganie elektrostatyczne i tym szybciej elektrony muszą się poruszać, aby uniknąć wpadnięcia w nie. Tak więc, gdy schodzimy w dół układu okresowego, elektrony 1s stają się coraz szybsze, a zatem cięższe, powodując kurczenie się promienia atomu. Stabilizuje to niektóre orbitale, które również mają relatywistyczny charakter, podczas gdy inne destabilizują. Ta interakcja oznacza, że dla ciężkich pierwiastków, takich jak rtęć i złoto, zewnętrzne elektrony są stabilizowane. W przypadku rtęci, zamiast tworzyć wiązania między sąsiednimi atomami rtęci, elektrony pozostają związane z własnymi jądrami, a słabsze siły międzyatomowe, takie jak wiązania van der Waalsa, utrzymują Atomy razem.

długi czas

w latach 60.Pekka Pyykkö, obecnie na Uniwersytecie w Helsinkach w Finlandii, odkrył, że kolor złota jest wynikiem efektów relatywistycznych. Wykazał, że niższe poziomy energetyczne orbitalu 6s złota oznaczają, że energia potrzebna do wzbudzenia elektronu z pasma 5D leży w zakresie światła widzialnego, a nie UV. Oznacza to, że złoto pochłania niebieskie światło, jednocześnie odbijając światło żółte i czerwone, i to właśnie to nadaje metalowi charakterystyczny odcień. Jeśli Energie obu pasm zostały obliczone bez uwzględniania efektów relatywistycznych, wymagana energia jest znacznie większa. Dalsze obliczenia wykazały następnie wpływ teorii względności na barwę i długość wiązań związków metali ciężkich, a także ich znaczenie w katalizie. Jednak niska temperatura topnienia rtęci nadal może być opisana jako „prawdopodobnie” z powodu efektów relatywistycznych.

„na poziomie spekulatywnym, pomysł ten istnieje od końca lat 70-tych”, wyjaśnia Pyykkö, który nie był zaangażowany w pracę”, ale jest to pierwszy dowód ilościowy.”

zespół Schwerdtfegera pracuje nad tym problemem od kilku dekad. Powodem opóźnienia, jak wyjaśnia, było to, że do niedawna komputery nie były w stanie wykonać potężnych obliczeń wykonywanych przez zespół. „Wymagało to dużo czasu komputerowego” – dodaje – ” a stosowane algorytmy są obecnie bardziej wydajne.”

ale poza wprowadzeniem go do podręczników, co ta praca na pewno zrobi, Schwerdtfeger ma nadzieję, że pokazując, że jego podejście działa, można go wykorzystać do obliczenia temperatury topnienia innych systemów metalicznych.

ale co ważniejsze, następnym razem, gdy nauczyciel zostanie zapytany o jeden z najbardziej rzucających się w oczy przykładów względności, będzie wiedział, że istnieją dowody potwierdzające ich Wyjaśnienie.