Η θεωρία της σχετικότητας και ο χρυσός

Posted on 31/10/2015

0


Η θεωρία του Αϊνστάιν εξηγεί και τις χημικές ιδιότητες του χρυσού

Solutions of the three metal carbene complexes of copper, silver and gold (left to right)

Διαλύματα καρβενίων χαλκού, αργύρου και χρυσού (από αριστερά προς τα δεξιά)

Χημικοί του πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης μελέτησαν τις ιδιότητες του χρυσού, του αργύρου και του χαλκού εξετάζοντας τις ενώσεις αυτών των μετάλλων με καρβένια. Τα αποτελέσματα της έρευνάς τους, που δημοσιεύονται στο περιοδικό Angewandte Chemie, δείχνουν ότι οι χημικές ιδιότητες του χρυσού ερμηνεύονται από τη θεωρία της σχετικότητας.

Τα στοιχεία του χαλκού, του αργύρου και του χρυσού βρίσκονται στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα, συνεπώς στην εξωτερική τους στιβάδα θα έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, οπότε αναμένεται να έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες. Οι ερευνητές της Χαϊδελβέργης σχημάτισαν στο εργαστήριο καρβένια χρυσού, αργύρου και χαλκού για να συγκρίνουν την συμπεριφορά των τριών στοιχείων σε μοριακό επίπεδο. Οι ενώσεις των καρβενίων με τα μέταλλα αυτά περιέχουν διπλό δεσμό με άνθρακα. Τα καρβένια αργύρου και χαλκού είναι ασταθή σε σχέση με το καρβένιο του χρυσού. Με την κρυσταλλοποίηση του ιδιαίτερα ασταθούς καρβενίου του αργύρου προσδιορίστηκε το μήκος του διπλού δεσμού μεταξύ αργύρου και άνθρακα χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ. Στη συνέχεια συνέκριναν τα μήκη των διπλών δεσμών αργύρου-άνθρακα και χαλκού-άνθρακα, με το μήκος του ισχυρότερου, αλλά και μικρότερου σε μήκος διπλού δεσμού χρυσού-άνθρακα. Οι παρατηρήσεις των ερευνητών επιβεβαιώνουν το γεγονός ότι οι χημικές ιδιότητες του χρυσού οφείλονται σε «σχετικιστικά φαινόμενα».

Από τα σταθερά στοιχεία, τα προβλεπόμενα σχετικιστικά φαινόμενα είναι πιο αισθητά στον χρυσό. Ένα πολύ γνωστό παράδειγμα είναι η εντυπωσιακή διαφορά στο χρώμα μεταξύ του κίτρινου του χρυσού και του άχρωμου αργύρου.

Εξαιτίας της ισχυρής έλξης από τον πυρήνα του χρυσού με τα 79 θετικά φορτισμένα πρωτόνια, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια του ατόμου του χρυσού φτάνουν σε υψηλές ταχύτητες, κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Έτσι, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας η μάζα των ηλεκτρονίων αυξάνεται. Όμως η ακτίνα της τροχιάς του ηλεκτρονίου είναι αντιστρόφως ανάλογη της μάζας του, συνεπώς η σχετικιστική αύξηση της μάζας προκαλεί μείωση της ακτίνας.

gold3Αυτό το φαινόμενο όταν παρατηρείται στην εξωτερική στοιβάδα ηλεκτρονίων, τότε έχει συνέπειες στις χημικές ιδιότητες των στοιχείων, όπως π.χ. το χρώμα τους ή την φυσική τους κατάσταση.

Αν ρωτήσει κανείς «γιατί ο χρυσός έχει κίτρινο χρώμα» ή «γιατί ο υδράργυρος είναι υγρός» η απάντηση είναι: Διότι ισχύει η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

H ανακλαστικότητα των Au, Ag, Al. Το ανθρώπινο μάτι βλέπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος κοντά στα 600 νανόμετρα ως κίτρινο. Όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα ο χρυσός φαίνεται κίτρινος διότι απορροφά το μπλε φως περισσότερο από τα άλλα και ανακλά το κίτρινο. Για τον μεν χρυσό η εφαρμογή των σχετικιστικών διορθώσεων αποδεικνύει ότι ο διαχωρισμός των τροχιακών και η χαμηλότερη ενέργεια του 6s τροχιακού έχει ως αποτελέσματα την έντονη απορρόφηση μπλε φωτός σε σχέση με το κίτρινο. Όσον αφορά τον άργυρο, δεδομένου ότι το ενεργειακό επίπεδο 6s είναι υψηλότερο, η ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο αντιστοιχεί στην περιοχή του υπεριώδους φωτός και όχι στην ορατή περιοχή. Έτσι o άργυρος φαίνεται να στερείται των χρωμάτων.

H ανακλαστικότητα των Au, Ag, Al. Το ανθρώπινο μάτι βλέπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος κοντά στα 600 νανόμετρα ως κίτρινο. Όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα ο χρυσός φαίνεται κίτρινος διότι απορροφά το μπλε φως περισσότερο από τα άλλα και ανακλά το κίτρινο. Για τον μεν χρυσό η εφαρμογή των σχετικιστικών διορθώσεων αποδεικνύει ότι ο διαχωρισμός των τροχιακών και η χαμηλότερη ενέργεια του 6s τροχιακού έχει ως αποτελέσματα την έντονη απορρόφηση μπλε φωτός σε σχέση με το κίτρινο. Όσον αφορά τον άργυρο, δεδομένου ότι το ενεργειακό επίπεδο 6s είναι υψηλότερο, η ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο αντιστοιχεί στην περιοχή του υπεριώδους φωτός και όχι στην ορατή περιοχή. Έτσι o άργυρος φαίνεται να στερείται των χρωμάτων.

Στην περίπτωση του χρυσού, η σχετικιστική ανάλυση εξηγεί, εκτός από το κίτρινο χρώμα του, και την ενίσχυση των μοριακών δεσμών του. Η σύγκριση των διπλών δεσμών μεταξύ των μεταλλικών στοιχείων χρυσού, αργύρου και χαλκού με άνθρακα, έδειξε ότι η ατομική συμπεριφορά του χρυσού μοιάζει πιο πολύ με την αντίστοιχη του χαλκού παρά με του αργύρου, παρότι ο άργυρος είναι πιο κοντά με τον χαλκό στο περιοδικό σύστημα.

Τα ευρήματα των χημικών της Χαϊδελβέργης επιβεβαιώνουν για άλλη μια φορά ότι η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν παίζει καθοριστικό ρόλο και στον κόσμο των ηλεκτρονίων, των ατόμων και των μορίων.

πηγή: Einstein’s Theory of Relativity Explains Fundamental Properties of Gold