varför är kvicksilver en vätska vid rumstemperatur? Om du ställer den frågan i ett skolklassrum kommer du förmodligen att få veta att relativitet påverkar orbitalerna av tungmetaller, kontraherar dem och ändrar hur de binder. Det första beviset på att denna förklaring är korrekt har dock bara publicerats.ett internationellt team ledt av Peter Schwerdtfeger från Massey University Auckland i Nya Zeeland använde kvantmekanik för att göra beräkningar av metallens värmekapacitet antingen inklusive eller exklusive relativistiska effekter. De visade att om de ignorerade relativitet när de gjorde sina beräkningar var den förutsagda smältpunkten för kvicksilver 82 C. Men om de inkluderade relativistiska effekter matchade deras svar nära det experimentella värdet av -39 C. relativitet säger att objekt blir tyngre ju snabbare de rör sig. I atomer är hastigheten hos de innersta elektronerna relaterad till kärnladdningen. Ju större kärnan blir desto större är den elektrostatiska attraktionen och desto snabbare måste elektronerna röra sig för att undvika att falla in i den. Så när du går ner i det periodiska bordet blir dessa 1s-elektroner snabbare och snabbare, och därför tyngre, vilket gör att atomens radie krymper. Detta stabiliserar vissa orbitaler, som också har en egen relativistisk karaktär, medan destabiliserar andra. Detta samspel innebär att för tunga element som kvicksilver och guld stabiliseras de yttre elektronerna. I Merkurius fall, istället för att bilda bindningar mellan angränsande kvicksilveratomer, förblir elektronerna associerade med sina egna kärnor, och svagare interatomiska krafter som van der Waals-bindningar håller atomerna ihop.

Long time coming

På 1960-talet upptäckte Pekka Pyykk, nu vid Helsingfors universitet, att guldets färg var resultatet av relativistiska effekter. Han visade att de lägre energinivåerna i 6s orbital of gold innebär att den energi som krävs för att excitera en elektron från 5d-bandet ligger i det synliga snarare än UV-området av ljus. Det betyder att guld absorberar blått ljus, samtidigt som det reflekterar gult och rött ljus, och det är detta som ger metallen sin karakteristiska nyans. Om energierna i de två banden beräknades utan att inkludera relativistiska effekter är den energi som krävs mycket större. Ytterligare beräkningar har därefter visat relativitetens inflytande på färg-och bindningslängderna hos tungmetallföreningar, liksom dess betydelse vid katalys. Den låga smältpunkten för kvicksilver kan dock fortfarande bara beskrivas som ’förmodligen’ på grund av relativistiska effekter.

’på en handvinkande, spekulativ nivå har den här tanken funnits sedan slutet av 1970-talet, förklarar Pyykk Kubi, som inte var inblandad i arbetet,’ men detta är det första kvantitativa beviset.’

Schwerdtfegers team har i synnerhet arbetat med problemet i några decennier. Anledningen till förseningen, förklarar han, var att datorer fram till nyligen inte kunde slutföra de kraftfulla beräkningarna som laget utförde. ’Mycket datortid krävdes,’ tillägger han, ’ och algoritmerna som används är mer effektiva nuförtiden.’

men utöver att göra det i läroböckerna, vilket detta arbete definitivt kommer att göra, hoppas Schwerdtfeger att genom att visa att hans tillvägagångssätt fungerar kan det användas för att beräkna smältpunkterna för andra metalliska system.

men ännu viktigare, nästa gång en lärare blir frågad om ett av de mest iögonfallande exemplen på relativitet, vet de att det finns bevis för att säkerhetskopiera sin förklaring.