Débeda con relatividad

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

• Fisika

A pesar de que a velocidade da luz é insuperable, os efectos relativistas asociados á súa proximidade teñen una repercusión directa na vida cotiá. Estes efectos son, por exemplo, os principais responsables da cor do ouro, tan apreciado no mundo da xoiaría, e do carácter líquido do mercurio utilizado nos termómetros. Que son eses efectos relativistas e que relación hai entre eses efectos e esas características distintivas dos metais mencionados?

300.000 km/s, é una velocidade inmensa. Por pór algúns exemplos, a esa velocidade, nun só segundo dabamos ao mundo sete voltas, ou a distancia da Lúa á Terra formaríase en case un segundo. Sen dúbida, estas velocidades non están nas nosas mans. Por exemplo, o aparcadoiro Curiosity chegou recentemente a Marte, a unha velocidade media de 12.000 km/h, o que supón 90.000 veces a velocidade da luz.

Con todo, no mundo atómico existen partículas que se aproximan a esta velocidade até as consecuencias que iso leva. Así, no caso dos átomos pesados como platino, ouro, mercurio ou uranio, a elevada carga positiva que se acumula no núcleo fai que os electróns máis próximos ao núcleo móvanse moi rapidamente, preto da velocidade da luz.

Como se pode deducir da teoría da relatividad de Einstein, nestes casos a masa do electrón aumenta, sendo esta a principal fonte dos efectos relativistas que ven no caso dos átomos pesados. Isto débese a que ao aumentar a masa dos electróns que se atopan cerca do núcleo, os seus orbitais diminúen. Isto provoca, á súa vez, a contracción e ampliación dalgúns dos orbitais superficiais que interveñen na química dun átomo e a modificación do nivel enerxético dos electróns contidos neles. Isto permite aumentar ou diminuír o nivel de enerxía que deben absorber os electróns paira pasar dun nivel de enerxía a outro.

A contracción e ampliación dos orbitais superficiais dos átomos pesados, así como o consecuente cambio no nivel de enerxía, dan lugar a propiedades de elementos pesados que doutra maneira non aparecerían.

A cor do ouro

Una destas características é a cor natural do ouro, tan valioso en xoiaría. Isto débese a que, neste caso, estas expansións e contraccións dos orbitais superficiais fan que un electrón da superficie pase dun orbital ou nivel enerxético a outro. De feito, a enerxía que debe absorber este electrón paira dar o salto mencionado é da orde de 2,7 eV, valor que se atopa entre as enerxías da luz morada e a azul.

Paira comprender o amarelado do ouro hai que ter en conta que esta cor é complementario do violeta, é dicir, se quitamos o compoñente morado da luz branca, nós vemos o amarelo e viceversa.

Por tanto, cando irradiamos ouro con luz branca, isto absorbe os fotóns entre a cor azul e o violeta, e nós vemos o resto da luz reflectida nesa superficie dourada.

Pero que relación hai entre todo isto e os efectos relativistas? Analicemos, pois, o intervalo de enerxía correspondente a este salto dun orbital a outro en elementos máis lixeiros como o ouro, é dicir, no caso do cobre e a prata situados sobre o ouro na táboa periódica. Así, no caso do cobre este rango enerxético sitúase ao redor de 1,4 eV, mentres que no caso da prata sitúase ao redor de 3,7 eV. Advírtase que ambos os valores quedan fóra do rango de enerxía da luz visible. No caso do cobre e a prata, os efectos relativistas non son tan importantes, pero si non os hai, a medida que imos descendendo na táboa periódica, habería que aumentar o rango de enerxía correspondente a devandito salto. Así, se estes efectos relativistas non existisen, o electrón mencionado no caso do ouro debería absorber máis enerxía que nos outros dous casos paira dar ese salto. Na realidade, con todo, os efectos relativistas fan que os niveis de enerxía ou dos orbitais que entran en xogo neste salto estean máis preto do que deberían, situando a súa separación entre o cobre e a prata. Casualmente, paira o goce dos nosos ollos, no caso do ouro, ese salto enerxético queda cerca do nivel enerxético da luz morada, e nós percibimos a cor amarela.

Mercurio líquido

Outro exemplo significativo é o do mercurio. Este metal, utilizado en aparellos de medida de temperatura e presión, é estraño, a diferenza doutros metais, xa que é líquido a temperatura ambiente. E este matiz tamén é consecuencia directa dos efectos relativistas.

De feito, a contracción do último orbital da superficie do mercurio ocupado por dous electróns fai que os electróns alí contidos estean fortemente unidos ao núcleo máis fortemente que os que se poderían atopar en ausencia de efectos relativistas. O efecto da contracción deste orbital sobre esta característica verase máis claramente se comparamos a enerxía de ionización do mercurio, é dicir, a enerxía necesaria paira eliminar un electrón, coa do cadmio e a do zinc, que son máis lixeiros que os seus pares. Así, tendo en conta que a enerxía de ionización do zinc, situada dúas liñas por encima, é de 9,42 eV e que a do cadmio, xusto encima do mercurio, é de 9,03 eV, deberíase esperar que a de mercurio sexa inferior a estes dous valores. Con todo, a contracción do citado orbital provoca que a enerxía de ionización do mercurio sexa da orde de 10,51 eV, moi superior á dos outros dous do seu grupo.

Paira comprender a relación que ten con todo isto o feito de que o mercurio sexa líquido a temperatura ambiente, convén lembrar a estrutura dos metais sólidos. Así, cando están en estado sólido, os metais liberan os electróns sobrantes e crean as bandas de electróns correspondentes a todos os átomos. Por tanto, nun metal o núcleo e os electróns internos sitúanse nun punto determinado e os electróns que liberan teñen liberdade paira moverse por todo o metal ao redor deses puntos concretos. Esta estrutura é a principal responsable da elevada conductividad eléctrica e térmica dos metais.

No caso do mercurio, pola contra, a contracción do último orbital ocupado impide a existencia desta estrutura, xa que os dous electróns locais non poden quedar libres, como ocorrería si non existise este efecto relativista. En consecuencia, o mercurio atópase en estado líquido a temperatura ambiente.

...e moito máis

Con todo, o amarelado do ouro e o carácter líquido do mercurio son só dous exemplos das consecuencias dos efectos relativistas. Máis aló destes dous casos, estes efectos condicionan moito a química dos elementos pesados. Así, os efectos relativistas fan posible que estes elementos pesados poidan reaccionar doutra maneira. Así mesmo, o diferente comportamento químico dos elementos pesados e asimilables máis lixeiros (platino/paladio, ouro/prata, mercurio/cadmio...) débese en parte a estes efectos.

Por tanto, aínda que a velocidade da luz parece una cuestión de ficción, os efectos relacionados con ela están moi presentes na nosa vida cotiá. Por tanto, poderiamos dicir, en certa medida, que os seres humanos estamos en débeda con eses efectos relativistas.

Bibliografía