Золото — переходный металл, который ценился на протяжении всей истории человечества за свой красивый золотисто-желтый цвет. Но почему золото вообще желтое? Желтый цвет золота на самом деле обусловлен релятивистскими эффектами, то есть эффектами, описанными теорией относительности Эйнштейна.
В таких металлах, как золото, цвет определяется тем, как электроны в атомах взаимодействуют со светом. Свободные электроны в металле поглощают определенные частоты света и отражают другие частоты. Отраженный свет — это то, что придает золоту желтоватый цвет. Поэтому, чтобы понять, почему золото желтое, нам нужно рассмотреть, почему электроны в атомах золота взаимодействуют со светом таким образом, что получают желтый цвет.
Золото — элемент под номером 79 в периодической таблице. Его атомная масса составляет 196,967 а.е.м. Золото обладает свойствами как металла, так и неметалла. Как и металлы, золото обладает высокой тепло- и электропроводностью. Но он также блестящий, нереактивный и ковкий, как неметаллы.
Некоторые ключевые свойства золота включают в себя:
Атомы золота имеют 79 электронов, расположенных на 7 электронных оболочках. Электронная конфигурация золота: [Xe]4f145d106s1. Важно отметить, что золото имеет один 6s-орбитальный электрон. Этот внешний электрон является ключом к пониманию желтого цвета золота, о чем мы поговорим позже.
В металлах валентные электроны не связаны прочно с отдельными атомами. Вместо этого они свободно плавают, образуя «море электронов», которое распределено по всей решетке металла. Эти свободные электроны отвечают за металлические свойства высокой проводимости.
Когда свет падает на металл, эти свободные электроны могут взаимодействовать с колеблющимся электрическим полем света. Если частота света совпадает с собственной частотой колебаний электронов, они могут поглощать эту световую энергию и переходить в более высокое колебательное состояние.
Отраженный свет, который видят наши глаза, — это свет, который не был поглощен электронами. Частоты, которые были поглощены, отсутствуют в отраженном свете, что меняет его цвет.
Итак, вкратце:
Это основы того, как поглощение света свободными электронами придает металлам их цвет. Но это еще не объясняет, почему электроны золота поглощают именно частоты, которые делают его желтым. Чтобы понять это, нам нужно углубиться в квантовую физику и теорию относительности.
Желтый цвет золота берет свое начало в теории относительности Альберта Эйнштейна. Давайте разберем это пошагово:
Давайте рассмотрим каждый из этих пунктов более подробно:
Атомы золота имеют электроны, занимающие d- и s-электронные орбитали. D-орбитали — это предпоследний (следующий за самым высоким) энергетический уровень, а s-орбиталь — самая внешняя орбиталь.
D-орбитали заполнены 10 электронами. S-орбиталь содержит всего 1 электрон. Этот внешний s-электрон является ключевым для желтого цвета.
Согласно теории относительности Эйнштейна, по мере того, как объект движется быстрее, его масса увеличивается. Это означает, что электроны, которые движутся очень быстро, будут иметь значительно большую массу по сравнению с электронами, движущимися медленнее.
В тяжелых элементах, таких как золото, внутренние электроны вблизи ядра движутся чрезвычайно быстро, приближаясь к скорости света. Это означает, что внутренние электроны, такие как электроны 1s, 2s и 3s, приобретают гораздо больше массы из-за относительности.
Внешние электроны движутся не так быстро, поэтому они не так сильно подвержены влиянию относительности. Эта разница в увеличении релятивистской массы между внутренними и внешними электронами приводит к важным воздействиям на химию тяжелых элементов, таких как золото.
В частности, s-электроны подвержены влиянию относительности гораздо сильнее, чем d- или f-электроны. Это связано с тем, что s-электроны с большей вероятностью находятся вблизи ядра, где электроны движутся быстрее всего.
Орбитали d и f более защищены от заряженного ядра, в среднем они находятся дальше. Поэтому s-электроны испытывают самое сильное увеличение массы из-за релятивистских эффектов.
Поскольку s-электроны движутся быстрее и имеют большую массу, они действуют по-разному с точки зрения экранирования ядерного заряда.
Обычно внутренние электроны экранируют часть ядерного заряда, испытываемого внешними электронами. Но более тяжелые s-электроны не экранируют так же хорошо.
Это означает, что d-электроны подвергаются большему воздействию ядерного заряда, чем без теории относительности. Поэтому d-орбитали притягиваются ближе к ядру по энергии.
Релятивистский эффект на энергии d-орбитали имеет последствия для поглощения света.
Уровни энергии d-электронов понижаются, в то время как уровень s остается на месте. Это увеличивает энергетический зазор между уровнями d и s.
Большая энергетическая щель требует фотонов с более высокими частотами (более синий свет) для возбуждения электронов между этими уровнями. Поэтому частота поглощения изменяется в сторону синего конца спектра.
Когда белый свет освещает атомы золота, синие частоты преимущественно поглощаются возбуждающими d-электронами.
Поэтому отраженный свет лишен этих синих компонентов. Остается преимущественно желтый и красный свет, который придает золоту его желтоватый цвет.
Это следствие смещения d-орбитали, вызванного относительностью, влияющей на s-электроны. Белый свет кажется желтым, потому что поглощенный дополнительный цвет синий.
Если относительность обуславливает желтый цвет золота, почему другие металлы также не желтые? Эффект зависит от взаимодействия d- и s-электронов.
В серебре 5s-орбиталь полностью заполнена, а 4d-орбиталь частично заполнена. При полном s-уровне релятивистский эффект меньше. d-электроны поглощают на всех видимых длинах волн, вызывая белый серебристый цвет.
В меди d-орбитали поглощают красный свет. В цезии поглощение происходит в инфракрасном диапазоне. Каждый элемент отличается в зависимости от электронной конфигурации.
Но в золоте релятивистское сжатие d-орбитали в сочетании с частично заполненным s-уровнем приводит именно к поглощению синего и зеленого света.
Существуют и другие линии доказательств, которые поддерживают относительность, определяющую желтый цвет золота:
Эксперименты с золотыми наночастицами также соответствуют теоретическим предсказаниям того, как частоты плазмонов и поглощение должны меняться с размером из-за релятивистских эффектов.
Таким образом, как теоретические расчеты, так и экспериментальные наблюдения убедительно подтверждают, что относительность играет центральную роль в желтом цвете золота.
Знаменитый золотисто-желтый цвет золота берет свое начало в теории относительности Эйнштейна. Высокая скорость внутренних электронов в атомах золота заставляет их значительно увеличивать массу.
Этот релятивистский эффект сильнее всего проявляется для s-электронов, заставляя их по-разному экранировать ядерный заряд. d-электроны испытывают большее ядерное притяжение, смещая свои орбитали внутрь.
Измененные уровни энергии между d- и s-орбиталями приводят к преимущественному поглощению синего света. Оставшийся отраженный свет кажется желтым, что делает золото его желанным желтым цветом.
Таким образом, углубившись в квантовую физику электронов в золоте, мы обнаруживаем, что объяснение его цвета кроется в странных следствиях теории относительности. Желтый цвет золота действительно релятивистский!