Да се оцени ролята, която златото е изиграло в развитието на човешката цивилизация, вероятно е непосилна задача. Но ако оставим настрана историята на стоково-паричните взаимоотношения и тънкостите в златарството, има неща които изглеждат едновременно много прости и в същото време са изключително сложни, за да намерят обяснение - и едно от тези неща е, защото златото е точно с жълт цвят.
За начало, да си припомним какво са цветовете и от какво се пораждат. Знаем, че светлината е вид електормагнитно излъчване, чиито носители са фотоните. Енергийният спектър на фотоните е много широк - от гама-лъченията и рентгеновите, до микро- и радиовълните. И само малка част от този спектър е видим за човешкото око. Този малък отрязък от спектъра наричаме светлина. Фотоните с различна енергия и с различна дължина на вълната възприемаме като различни цветове: колкото по-голяма е дължината на вълната, толкова е по-ниска енергията на фотона и толкова "по-червенеещ" е цвета.
Бялата светлина е смес от фотони от целия видим спектър. Способни сме да наречем цвета на даден обект, защото повърхността му поглъща част от спектъра, отразявайки всичко останало, т.е. от общата бяла светлина се "филтрират" определени цветове. Казано с други думи, когато виждаме едно листо като ярко зелено, то повърхността му е погълнала всички други цветове, отразявайки само зеленият. Разбира се, малко са нещата, които поглъщат целия спектър освен една конкретна дължина на вълната, затова и цветовете, които улавяме, са с различни оттенъци. Ако обектът е погълнал всички цветове, казваме, че той е с черен цвят.
Как се случва поглъщането на светлината от гледна точка на физиката? Без да задълбаваме в подробностите около взаимодействието на светлината с материята, да припомним основните неща. Всичко около нас се състои от атомите на различни химически елементи. Всеки атом има положително заредено ядро, което се намира в обвивка от отрицателно заредени електрони. В зависимост от химическия елемент, броят на електроните се променя и колкото повече са те, толкова повече от т.нар. енергетични нива са запълнени в електронната обвивка на атома: заради забраната на Паули, електронът не може да се намира на същото място и със същата енергия, както друг електрон, затова са "принудени" да се държат далеч един от друг, запълвайки една след друга атомните обвивки.
Електроните могат да преминават от заети на свободни нива, ако получат достатъчно за това енергия. Например, когато електрон поглъща фотон с енергия, равна на "разстоянието" между две нива, то той може да премине на по-високо енергетично ниво или даже в зоната на проводимост, ако енергията на фотона е достатъчна, за да "откъсне" електрона от атома. По този начин електронната структура определя и това, какви фотони се поглъщат и кои ще се отразят. Възможна е и ситуация, при която електронът се завръща на "родната си орбита", като излъчва обратно фотон, най-често с по-ниска енергия, или просто преобразува разликата в енергиите в топлина. Точно заради това светлината наистина топли!
Разчитането на електронните свойства на атома винаги е сложна задача, особено за тежките елементи, които имат и голям брой електрони. Ако си припомните задачите от училище, в които трябва да се изчисли кулоновата сила на няколко точкови заряда, ще си представите колко сложно е, като се вземе предвид, че тези заряди се движат със скорости близки до светлинната и се подчиняват на законите на квантовата механика; т.е. не може точно да се определи положението им в пространството или скоростта им. Ако за атомите на водорода такава задача е относително по-лесна, то за всеки друг химичен елемент трябва да се взема под внимание, освен взаимодействието на електроните с кулоновото поле на ядрото, и взаимодействието им един с друг. Физиците са разработили достатъчно ефективни методи за разчети на електронната структура и за сложните случаи, но те са много трудоемки и обикновено изискват ангажирането на сериозни изчислителни мощности.
Първоначално се смятало, че релативистичните ефекти не би следвало да оказват съществено влияние на движенията на електроните в атомите, но изследвания на тънката структура показват точно обратното. Оказва се, че колкото повече са електроните в атома, толкова по-съществено е влиянието на релативистичната коригираща към електронната структура, което пък прави разчетите още по-сложни. Разделът от физиката, който се занимава с тези педантични изчисления на структурата на електроните в различните атоми и техните физически и химически свойства, се нарича релативистична квантова химия.
Златото е един от химичните елементи, чиито физически свойства изключително много зависят от релативистичните ефекти. Неговите 79 електрона запълват атомните обвивки до шестата, на която обикновено "живее" валентния електрон. Заради спин-орбиталното взаимодействие (така се нарича взаимодействието между момента на движение на електрона с магнитния му момент) и другите релативистични корекции, разстоянието между последните населени обвивки на атома на златото - 5d и 6s, е трудно да бъде разчетено теоретично: обикновено тази дистанция се оказва по-голяма, отколкото показват резултатите от експерименталното измерване.
Преходът 5d–6s съответства на синята част от спектъра и в резултат на това златото силно поглъща синия цвят. Това го прави да ни изглежда като жълто. Но ако теоретичните разчети бяха абсолютно точни, златото би следвало да има и лек сребрист оттенък, защото би поглъщало и виолетовите и ултравиолетовите излъчвания. Освен това, теоретично разчетените нива значително се разминават с експериментално установените "правилни" стойности на енергията на йонизация (тоест с енергията за "откъсване" на електрона от атома) и енергията на сродност (така пък се нарича енергията, необходима за присъединяване на електрон към атома).
Изследователи от Нова Зеландия, Израел, Словакия и Холандия, ръководени от Петер Швердфегер, са разработили метод за свръхточно определяне на електронната структура на тежки атоми. Методът е детайлно описан в статия за списание Physical Review Letters. Новият модел взема под внимание релативистичните ефекти, квантовата електродинамика и електронните корелации, които включват взаимодействията между електроните от висок порядък.
Ако при другите методи се отчитат само тройните взаимодействия между три електрона - а в златото, нали помните, са 79! - то в новата разработка се вземат под внимание вече четворни и петорни взаимодействия. Нещо повече, новият метод позволява да се анализира структурата и на по-тежки атоми, а такива - благодарение на усилията на ядрените физици - към настоящия момент вече наброяват 38.
С помощта на новия метод физиците са успели в пъти да намалят "разногласията" между теорията и експеримента, и въпросът "защо златото е жълто?" - защо точно жълто, а не със сребристи оттенъци - вече има точен отговор, обоснован от квантово-химичната физика.
-----------
За още новини харесайте страницата ни във Facebook>>>
0 коментара:
Публикуване на коментар