Por que o ouro é dourado? - Dicas & Curiosidades™

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 humanidade foi hipnotizada pelo brilho do metal. Guerras foram travadas , continentes foram invadidos e expedições foram conduzidas a densas selvas perigosas, tudo pela posse do eterno metal – ouro . Em uma nota aparentemente não 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 é apenas para físicos e astrônomos ponderarem, mas também uma teoria para admirarmos. Podemos não 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 algumas partículas muito pequenas dançando ao ritmo da luz.

Mar de elétrons

Sabemos que os metais são conhecidos por serem grandes condutores de calor e eletricidade. Essas qualidades são possibilitadas por elétrons fracamente ligados que se movem livremente em torno do núcleo carregado positivamente . Quando muitos átomos de metal se juntam para formar metais, isso cria uma poça de elétrons carregada negativamente que pode fluir livremente . 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.

Quando partículas eletricamente carregadas interagem umas com as outras, elas dão origem a um campo . Nesse caso, o pool de elétrons com carga negativa que se move 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 símbolo Au . O núcleo do ouro é composto por 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, os elétrons carregados negativamente devem trabalhar mais duro .

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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, que é dado pela fórmula:

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Na fórmula, vemos que o um —- 0 (raio de Bohr) e m e- (massa de um electrão) são inversamente proporcionais. 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 ou orbital atômico nos dá informações sobre a probabilidade de encontrar um elétron em uma determinada região do espaço. Por exemplo, se um 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 .

Elétron de hidrogênio pode fazer transições

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 s é conhecido por 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 puxados ligeiramente para 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 se expandem 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 à contração 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

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O efeito de E = mc 2 no ouro não termina apenas com 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.