Deute amb relativitat

2014/01/01 Lakuntza Irigoien, Oier - Kimikan doktoreaKimika Teorikoko Laborategia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

A pesar que la velocitat de la llum és insuperable, els efectes relativistes associats a la seva proximitat tenen una repercussió directa en la vida quotidiana. Aquests efectes són, per exemple, els principals responsables del color de l'or, tan benvolgut en el món de la joieria, i del caràcter líquid del mercuri utilitzat en els termòmetres. Què són aquests efectes relativistes i quins relació hi ha entre aquests efectes i aquestes característiques distintives dels metalls esmentats?

300.000 km/s, és una velocitat immensa. Per posar alguns exemples, a aquesta velocitat, en un només segon donàvem al món set voltes, o la distància de la Lluna a la Terra es formaria en gairebé un segon. Sens dubte, aquestes velocitats no són a les nostres mans. Per exemple, l'aparcament Curiosity va arribar recentment a Mart, a una velocitat mitjana de 12.000 km/h, la qual cosa suposa 90.000 vegades la velocitat de la llum.

No obstant això, en el món atòmic existeixen partícules que s'aproximen a aquesta velocitat fins a les conseqüències que això comporta. Així, en el cas dels àtoms pesats com a platí, or, mercuri o urani, l'elevada càrrega positiva que s'acumula en el nucli fa que els electrons més pròxims al nucli es moguin molt ràpidament, prop de la velocitat de la llum.

Com es pot deduir de la teoria de la relativitat d'Einstein, en aquests casos la massa de l'electró augmenta, sent aquesta la principal font dels efectes relativistes que es veuen en el cas dels àtoms pesats. Això es deu al fet que en augmentar la massa dels electrons que es troben prop del nucli, els seus orbitals disminueixen. Això provoca, al seu torn, la contracció i ampliació d'alguns dels orbitals superficials que intervenen en la química d'un àtom i la modificació del nivell energètic dels electrons continguts en ells. Això permet augmentar o disminuir el nivell d'energia que han d'absorbir els electrons per a passar d'un nivell d'energia a un altre.

La contracció i ampliació dels orbitals superficials dels àtoms pesats, així com el consegüent canvi en el nivell d'energia, donen lloc a propietats d'elements pesants que d'una altra manera no apareixerien.

El color de l'or

Una d'aquestes característiques és el color natural de l'or, tan valuós en joieria. Això es deu al fet que, en aquest cas, aquestes expansions i contraccions dels orbitals superficials fan que un electró de la superfície passi d'un orbital o nivell energètic a un altre. De fet, l'energia que ha d'absorbir aquest electró per a fer el salt esmentat és de l'ordre de 2,7 eV, valor que es troba entre les energies de la llum habitada i la blava.

Per a comprendre el groguenc de l'or cal tenir en compte que aquest color és complementari del violeta, és a dir, si llevem el component morat de la llum blanca, nosaltres veiem el groc i viceversa.

Per tant, quan irradiem or amb llum blanca, això absorbeix els fotons entre el color blau i el violeta, i nosaltres veiem la resta de la llum reflectida en aquesta superfície daurada.

Però quina relació hi ha entre tot això i els efectes relativistes? Analitzem, doncs, l'interval d'energia corresponent a aquest salt d'un orbital a un altre en elements més lleugers com l'or, és a dir, en el cas del coure i la plata situats sobre l'or en la taula periòdica. Així, en el cas del coure aquest rang energètic se situa entorn de 1,4 eV, mentre que en el cas de la plata se situa entorn de 3,7 eV. Adverteixi's que tots dos valors queden fora del rang d'energia de la llum visible. En el cas del coure i la plata, els efectes relativistes no són tan importants, però si no n'hi ha, a mesura que anem descendint en la taula periòdica, caldria augmentar el rang d'energia corresponent a aquest salt. Així, si aquests efectes relativistes no existissin, l'electró esmentat en el cas de l'or hauria d'absorbir més energia que en els altres dos casos per a fer aquest salt. En la realitat, no obstant això, els efectes relativistes fan que els nivells d'energia o dels orbitals que entren en joc en aquest salt estiguin més prop del que deurien, situant la seva separació entre el coure i la plata. Casualment, per al gaudi dels nostres ulls, en el cas de l'or, aquest salt energètic queda prop del nivell energètic de la llum habitada, i nosaltres percebem el color groc.

Mercuri líquid

Un altre exemple significatiu és el del mercuri. Aquest metall, utilitzat en aparells de mesura de temperatura i pressió, és estrany, a diferència d'altres metalls, ja que és líquid a temperatura ambient. I aquest matís també és conseqüència directa dels efectes relativistes.

De fet, la contracció de l'últim orbital de la superfície del mercuri ocupat per dos electrons fa que els electrons allí continguts estiguin fortament units al nucli més fortament que els que es podrien trobar en absència d'efectes relativistes. L'efecte de la contracció d'aquest orbital sobre aquesta característica es veurà més clarament si comparem l'energia de ionització del mercuri, és a dir, l'energia necessària per a eliminar un electró, amb la del cadmi i la del zinc, que són més lleugers que els seus parells. Així, tenint en compte que l'energia de ionització del zinc, situada dues línies per damunt, és de 9,42 eV i que la del cadmi, just damunt del mercuri, és de 9,03 eV, s'hauria d'esperar que la de mercuri sigui inferior a aquests dos valors. No obstant això, la contracció del citat orbital provoca que l'energia de ionització del mercuri sigui de l'ordre de 10,51 eV, molt superior a la dels altres dos del seu grup.

Per a comprendre la relació que té amb tot això el fet que el mercuri sigui líquid a temperatura ambient, convé recordar l'estructura dels metalls sòlids. Així, quan estan en estat sòlid, els metalls alliberen els electrons sobrants i creen les bandes d'electrons corresponents a tots els àtoms. Per tant, en un metall el nucli i els electrons interns se situen en un punt determinat i els electrons que alliberen tenen llibertat per a moure's per tot el metall al voltant d'aquests punts concrets. Aquesta estructura és la principal responsable de l'elevada conductivitat elèctrica i tèrmica dels metalls.

En el cas del mercuri, per contra, la contracció de l'últim orbital ocupat impedeix l'existència d'aquesta estructura, ja que els dos electrons locals no poden quedar lliures, com ocorreria si no existís aquest efecte relativista. En conseqüència, el mercuri es troba en estat líquid a temperatura ambient.

...i molt més

No obstant això, el groguenc de l'or i el caràcter líquid del mercuri són només dos exemples de les conseqüències dels efectes relativistes. Més enllà d'aquests dos casos, aquests efectes condicionen molt la química dels elements pesants. Així, els efectes relativistes fan possible que aquests elements pesants puguin reaccionar d'una altra manera. Així mateix, el diferent comportament químic dels elements pesants i assimilables més lleugers (platí/pal·ladi, oro/plata, mercuri/cadmi...) es deu en part a aquest efecte.

Per tant, encara que la velocitat de la llum sembla una qüestió de ficció, els efectes relacionats amb ella estan molt presents en la nostra vida quotidiana. Per tant, podríem dir, en certa manera, que els éssers humans estem en deute amb aquests efectes relativistes.

Bibliografia