Por que o ouro é dourado?
O brilho amarelo brilhante do ouro, surpreendentemente, é a consequência da teoria da relatividade especial de Einstein e da natureza dual dos elétrons.
Por milênios, a humanidadefoi hipnotizada pelobrilho do metal.Guerrasforam travadas, continentes foram invadidos e expedições foram conduzidas a densas selvas perigosas, tudo pela posse do eterno metal – ouro. Em uma notaaparentementenão relacionada, a teoria da relatividade especial nos diz que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz.
Então espere, o que a teoria da relatividade tem a ver com ouro?
Bem, a teoria da relatividade não éapenaspara físicos e astrônomos ponderarem, mas também uma teoria para admirarmos.Podemosnão perceber isso, mas nos afeta muito perto de casa.A brilhante cor amarela do ouro que cegou a humanidade com uma ganância reluzente também é uma consequência da teoria da relatividade especial de Einstein.
Antes de descobrirmos o que torna o ouro dourado, primeiro precisamos entender o que o torna brilhante.
Por que os metais são brilhantes?
A resposta simples seria “porque a luz reflete na superfície”, mas esse não é realmente o caso dos metais. Nesse caso, tem a ver com algumaspartículasmuitopequenas dançando ao ritmo da luz.
Mar de elétrons
Sabemos que os metaissão conhecidospor serem grandes condutores de calor e eletricidade.Essas qualidades são possibilitadas porelétronsfracamenteligados que se movemlivremente emtorno donúcleo carregadopositivamente.Quando muitos átomos de metal se juntam para formar metais, isso cria umapoça de elétrons carregadanegativamenteque pode fluirlivremente. Os cientistas se referem a isso como o “mar de elétrons”.
Mar de elétrons que não pertencem a nenhum átomo de metal isolado
A luz, que é uma onda eletromagnética (e uma forma de energia), viaja com uma comitiva – o campo elétrico e magnético (campo EM). Quando atinge qualquer metal, os campos EM criam uma ondulação no mar de elétrons.Os elétrons absorvem a energia da luz e vibram na mesma frequência de luz que absorveram. Para a maioria dos metais, a energia que eles absorvem corresponde à região ultravioleta das ondas EM.
Quandopartículaseletricamentecarregadas interagem umas com as outras, elas dão origem a um campo.Nesse caso, opool de elétrons com carganegativa que semove como resultado da luz que entra gera um campo elétrico.Para manter o campo elétrico total do metal zero, os elétrons geram uma segunda onda de luz (se não o fizessem, receberíamos um pequeno choque cada vez que tocássemos um metal brilhante).
Segunda onda de luz refletida pelo mar de elétrons.
Esta segunda onda de luz que sai do metal atinge nossos olhos e faz o metal parecer brilhante.A luz refletida no metal é uma mistura de comprimentos de onda de todas as cores na região visível (embora não em proporções iguais). Isso é o que dá à maioria dos metais seu brilho quase branco, mas acinzentado … exceto pelo nosso querido ouro (assim como cobre e césio).
Esferas de metal brilhante (crédito da foto: snappygoat)
A relatividade de Einstein e o átomo de ouro
O ouro é o 79º elemento da tabela periódica e carrega o símboloAu. O núcleo do ouroé compostopor 79 nêutrons e 79 prótons, o que o torna muito pesado e denso.Conseqüentemente, a carga nuclear efetiva ou a carga positiva real experimentada pelos elétrons (também 79) é subsequentemente alta.Para evitar colidir com o núcleo devido à atração eletrostática, oselétrons carregadosnegativamentedevem trabalhar mais duro.
Fatos atômicos
Modelo atômico de Bohr
De acordo com o modelo de átomo de Bohr, os elétrons se movem ao redor do núcleo em órbitas. Eles mantêm certas quantidades de energia cinética para evitar serem puxados para o núcleo, semelhante ao que aconteceria se você amarrasse uma pedra a um fio e a girasse a uma certa velocidade.Manteria uma distância do centro, mas no momento em que você para de fazer isso, a pedra espiralaria para o centro ou “cairia”.
Os elétrons ao redor do núcleo de ouro giram em torno de 1,6 x 108 m / s (quase metade da velocidade da luz). É aqui que o efeito relativístico entra em ação.De acordo com a teoria da relatividade especial (E = mc 2 ), quando a velocidade de qualquer partícula se aproxima da velocidade da luz, ela começa a ganhar massa. Como resultado, a massa dos elétrons do ouro aumenta em cerca de 20%.
Raio de Bohr
Esse aumento na massa diminui o caminho que os elétrons precisam para viajar ao redor do núcleo. Este “caminho” também é conhecido como raio de Bohr, queé dado pela fórmula:
Na fórmula, vemos que o um —- 0 (raio de Bohr) e m e- (massa de um electrão) sãoinversamenteproporcionais. Se um aumenta, o outro diminui.A diminuição do raio de Bohr e o aumento da massa dos elétrons devido à contração relativística é a razão do ouro ter um brilho amarelo aos nossos olhos.
No entanto, uma rápida olhada na tabela periódica dirá que há uma lacuna no enredo nesta história. Existem muitos outros metais, como mercúrio e chumbo, que são mais pesados que o ouro, mas ainda têm um brilho prateado.
Para explicar esta situação aparentemente contraditória, precisamos do salvador de todos os buracos na trama de um filme de ficção científica … Mecânica Quântica!
A dupla dinâmica: relatividade especial e mecânica quântica
Com o surgimento da mecânica quântica, a perspectiva dos cientistas em relação à “cor do ouro” mudou.
De acordo com o modelo quântico, os elétrons são partículas quânticas que apresentam naturezas de onda e partícula e existem em uma nuvem de probabilidade.Esta nuvem de elétrons ouorbital atômiconos dá informações sobre a probabilidade de encontrar um elétron em uma determinada região do espaço. Por exemplo, seum elétron estivesse em uma bicicleta, o modelo de Bohr restringiria a rota para uma rua, enquanto o modelo quântico permitiria que ele viajasse em qualquer lugar em um código postal específico.
Forma diferente de nuvens de elétrons ao redor do núcleo (Crédito da foto: ThreePhaseAC
/ Wikimedia Commons)
Agora, chegando à parte da relatividade … o efeito é semelhante, como vemos a contração relativística aqui também. Os átomos têm orbitais s, p, d e f, todos com formas diferentes.O orbital sé conhecidopor ter uma forma esférica.Os elétrons no orbital esférico experimentam a maior atração do núcleo positivo.
Forma do orbital atômico do orbital s (Crédito da foto: Geek3 / Wikimedia Commons)
Como resultado, todos os orbitais s em um átomo de ouro são puxadosligeiramentepara mais perto do núcleo. O orbital mais externo do ouro, que é 6s, se contrai cerca de 17%.
O apinhamento dos orbitais s em direção ao núcleo reduz a atração efetiva experimentada por outros orbitais que seexpandem para longe do núcleo. Isso reduz a distância entre o último orbital (6s) e o penúltimo orbital (5d).
Efeito da contração relativística
Conforme estabelecido anteriormente, quando a luz incide sobre o ouro, o mar de elétrons absorve essa energia.Os átomos de ouro absorvem a quantidade precisa de energia necessária para saltar do orbital 5d de energia mais baixa para o orbital 6s de energia mais alta. Como 5d e 6s estão mais próximos, devido àcontração relativística, os elétrons absorvem menos energia para essas transições do que o normal.
A energia absorvida pelos átomos de ouro pertence à região azul-violeta do espectro visível (em vez da região ultravioleta).A segunda onda refletida pelo metal consiste em todas as outras cores do espectro visível, exceto azuis e violetas. Os comprimentos de onda de luz visíveis que chegam aos nossos olhos pertencem à região vermelho-verde e, quando combinados, nos dão o Amarelo!
Conclusão
O efeito de E = mc 2 no ouro não terminaapenascom seu deslumbramento.Também evita que o ouro reaja com os fatores ambientais, mantendo-o impecável por toda a eternidade.A capacidade do ouro de permitir a entrada de luz visível e refletir os raios ultravioleta e infravermelho o tornou parte integrante do design de trajes espaciais (por exemplo, as viseiras). Também é crítico em componentes de satélites devido à sua grande condutividade elétrica e imunidade à corrosão por UV e raios-X.
Então, da próxima vez que alguém disser “A teoria da relatividade especial não afeta a vida cotidiana”, basta lembrar que ela mantém nossas joias brilhantes e nossos sistemas de GPS funcionando.
Uma fina camada de ouro é revestida nas viseiras dos astronautas (Crédito da foto: MGS / Shutterstock)
Referências:
