Почему золото жёлтое?
Чтобы понять, почему к обычному цвету золота не примешиваются никакие другие оттенки, мы должны проанализировать сложные взаимодействия между его электронами.
Роль золота в развитии человеческой цивилизации сложно переоценить. Но сейчас речь пойдёт не об истории товарно-денежного обмена и не о тонкостях ювелирного дела, а о вещах гораздо более простых и одновременно гораздо более сложных – мы попытаемся ответить на вопрос, почему золото желтого цвета.
Во-первых, давайте вспомним, что такое цвет и откуда он берётся. Мы знаем, что свет – это тип электромагнитного излучения, которое переносится фотонами. Энергетический спектр фотонов очень широк, от гамма-лучей и рентгена до микро- и радио-волн, и только небольшая их часть, видимая человеческому глазу, соответствует тому, что мы воспринимаем как свет. Фотоны с разной энергией, с разной длиной волны мы воспринимаем как разные цвета: чем длиннее волна, тем меньше энергия и тем краснее цвет.
Белый цвет – смесь фотонов всего видимого спектра. Мы приписываем объекту определённый цвет, поскольку его поверхность поглощает часть спектра, отражая всё остальное, то есть из общего белого «отфильтровываются» определённые цвета. Иными словами, когда мы видим ярко-зелёный лист, это значит, что поверхность листа поглотила все цвета, кроме зелёного. Конечно, мало что поглощает весь спектр кроме одной конкретной длины волны, и поэтому у цветов мы видим разные оттенки. Если же поглощаются все цвета, то в результате объект нам видится чёрным.
Как происходит поглощение света с физической точки зрения? Не углубляясь в подробности взаимодействия света с веществом, давайте вспомним основные моменты. Всё вокруг состоит из атомов различных химических элементов. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого находятся отрицательно заряженные электроны. В зависимости от химического элемента меняется количество электронов, и чем их больше, тем больше так называемых уровней энергии заполнено: из-за запрета Паули электрон не может находиться в том же месте и с той же энергией, что и другой электрон, и они вынуждены держаться дальше друг от друга, заселяя одну атомную оболочку за другой.
Электроны могут переходить с занятых уровней на свободные, если у них есть на это дополнительная энергия. Например, когда электрон поглощает фотон с энергией, равной «расстоянию» между уровнями, то он может перейти на более высокий уровень или даже в зону проводимости, если энергии фотона достаточно чтобы «оторвать» электрон от атома. Таким образом, электронная структура определяет, какие фотоны поглотятся, а какие – отразятся. Также возможна ситуация, когда электрон возвращается на место, испуская фотон обратно, часто с меньшей энергией, или просто преобразует разницу в энергии в тепло. Именно поэтому свет согревает!
Расчёт электронных свойств атома – всегда сложная задача, особенно для тяжёлых элементов с большим количеством электронов. Помните школьные задачки по электромагнетизму, где нужно было рассчитать кулоновскую силу нескольких точечных зарядов? А теперь представьте, что эти заряды двигаются с околосветовыми скоростями и подчиняются законам квантовой механики, то есть невозможно с точностью определить их положение в пространстве или их скорость. И если для атома водорода такая задача сравнительно проста, то в любом другом химическом элементе мы должны принимать во внимание взаимодействие электронов с кулоновским полем ядра и друг с другом. Физики разработали достаточно эффективные методы для расчёта электронной структуры и для таких сложных случаев, но они весьма трудоёмкие и обычно требуют серьёзных вычислительных мощностей.
Изначально считалось, что релятивистские эффекты не должны оказывать существенного влияния на движение электронов в атоме, но исследования тонкой структуры убедило их в обратном. Оказалось, что чем больше электронов в атоме, тем более существенными оказываются релятивистские поправки к электронной структуре, так что расчёт электронной структуры усложнился ещё сильнее. Раздел науки, который занимается скрупулёзным вычислением электронной структуры различных атомов и их физических и химических свойств, называется релятивистской квантовой химией.
Золото – один из химических элементов, физические свойства которого особенно сильно зависят от релятивистских эффектов. Его 79 электронов занимают атомные оболочки вплоть до шестой, на которой обычно живёт валентный электрон. Из-за спин-орбитального взаимодействия (так называют взаимодействие момента движения электрона с его магнитным моментом) и других релятивистских поправок расстояние между последними заселёнными оболочками атома золота, 5d и 6s, сложно оценить теоретически: обычно предсказанный зазор оказывается больше, чем показывает эксперимент.
Переход 5d–6s соответствует синей части спектра, и в результате золото сильно поглощает синий цвет. Именно поэтому оно видится нам жёлтым. Но если бы теоретики были абсолютно правы, золото было бы более серебристого оттенка, поскольку оно поглощало бы также фиолетовое или ультрафиолетовое излучение. Кроме того, расчёты серьёзно промахиваются мимо правильных значений энергии ионизации (то есть энергии «отрыва» электрона от атома) и энергии сродства (так называются энергия, необходимая для того, чтобы присоединить электрон к атому).
Исследователи из Новой Зеландии, Израиля, Словакии и Голландии под руководством Петера Швердтфегера (Peter Schwerdtfeger) разработали метод сверхточного расчёта электронной структуры для тяжёлых атомов (полностью он описан в статье в журнале Physical Review Letters). Новая модель учитывает релятивистские эффекты, квантовую электродинамику и электронные корреляции, которые включают в себя взаимодействия между электронами высокого порядка.
Если другие способы расчёта учитывают только тройные взаимодействия между тремя электронами – а их в золоте 79! – то в данной работе принимаются во внимания также четверные и пятерные взаимодействия. Более того, новый метод позволяет анализировать структуру и для более тяжёлых атомов, а их, благодаря усилиям физиков-ядерщиков, на сегодняшний день насчитывается уже целых 38. Благодаря этому физики смогли на порядок уменьшить разногласия между теорией и экспериментом, и вопрос «почему золото желтое?» – именно желтое, без каких-то серебристых оттенков – получил, наконец, прочный квантово-химический ответ.
