Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Zlatá farba

.časopis .veda

Prečo sa šperky tak často robia zo zlata? Pretože zlato je relatívne mäkké, veľmi tvárne a mimoriadne dobre spracovateľné. A tiež preto, lebo zlato je nesmierne trvanlivé. Ale najmä preto, že farba a lesk zlata sú pozoruhodne krásne. Prečo má práve zlato toľko skvelých vlastností?

Otázka „Prečo?“ má jednu ošemetnú vlastnosť – dá sa opakovať donekonečna. Po každej odpovedi môže nasledovať ďalšia takáto otázka a takmer každý rodič trojročného dieťaťa potvrdí, že postupné odpovedanie na túto otázku môže veľmi ľahko viesť nie k uspokojeniu, ale skôr k frustrácii.
Možnosť nekonečného opakovania otázky „Prečo?“ však neznamená, že odpovede nás nikam neposúvajú. Rozumné odpovede totiž smerujú k čoraz hlbším úrovniam, pričom každá vec na hlbšej úrovni má veľa rôznych dôsledkov na úrovni o poschodie vyššie. Takto to funguje v prírodných vedách a asi naj­úžasnejšie na týchto vedách je práve to, že dokážu vysvetliť obrovské množstvo vecí na základe prekvapujúco malého množstva základných prírodných zákonov.

.zlaté časy

Prvé také zákony objavil pred viac ako 300 rokmi Isaac Newton (Cambridge) a vysvetlil pomocou nich pohyby všetkých telies, od padajúceho jablka až po eliptické dráhy planét. Pribiližne pred 150 rokmi sformuloval ďalšie fundamentálne prírodné zákony James Clerk Maxwell (Cambridge) a vysvetlil pomocou nich všetky elektromagnetické a optické javy. Maxwellovo porozumenie optike však nestačilo na to, aby sme pochopili, odkiaľ sa berie žltá farba zlata. Na to bolo potrebné porozumieť zákonom, ktoré vládnu na úrovni atómov.
Jeden z rozhodujúcich krokov k tomuto porozumeniu urobil pred 100 rokmi Ernest Rutherford (Manchester, predtým Cambridge) objavom atómového jadra. Pre zaujímavosť dodajme, že zlato a jeho vlastnosti hrali v tomto objave dôležitú úlohu. Rutherford a jeho spolupracovníci objavili atómové jadrá pri ostreľovaní zlatej fólie takzvanými alfa-časticami a zlato zvolili práve preto, lebo sa dá vytepať do veľmi tenkých fólií.
Po objave atómového jadra prišiel Rutheford s pozoruhodnou predstavou, podľa ktorej boli atómy akési maličké newtonovské planetárne sústavy, v ktorých namiesto planét priťahovaných k Slnku gravitačnou silou vystupovali elektróny priťahované k jadrám elektrostatickou silou. Lenže podľa Maxwellovej teórie nemohli byť také sústavy stabilné a fyzikom začalo byť pomerne rýchlo jasné, že atómy sa nemôžu chovať podľa Newtonových a Maxwellových zákonov, že pre ne musia platiť nejaké iné zákony.
Nájdenie týchto „iných zákonov“ bolo vyvrcholením zlatého veku fyziky, ktorý predstavovala prvá štvrtina dvadsiateho storočia. V rámci tohto zlatého veku položil Einstein základy teórie relativity aj kvantovej teórie svetla, Rutherford objavil atómové jadrá a Schrödinger vymyslel svoju rovnicu, ktorá je základom kvantovej mechaniky, t.j. kvantovej teórie atómov. A práve kvantová mechanika nakoniec umožnila vysvetlenie vlastností atómov a z nich zložených látok.
Lenže nie vlastností zlata. Tie by mali byť podľa Schrödingerovej rovnice iné, než v skutočnosti sú. Zlato by, napríklad, malo mať podľa tejto rovnice bielu a nie žltú farbu. Aby sme porozumeli zlatu, je potrebné spojiť Schrödingerovu rovnicu s teóriou relativity. A práve to urobil v roku 1928 Paul Dirac (Cambridge).

.zlatá výnimka
Samotný Dirac však bol presvedčený, že z jeho rovnice nebude vyplývať nič nové pre optické, chemické a mechanické vlastnosti látok. Dôvod bol jednoduchý: tieto vlastnosti sú určené správaním elektrónov, ktoré sú najďalej od jadra, zatiaľ čo relativistické efekty sú výrazné len pre elektróny blízke k jadru.
To, že relativita ovplyvňuje najmä elektróny blízke k jadru, možno pochopiť aj na základe planetárneho modelu atómu. Relativistické efekty sú totiž najvýraznejšie pri veľkých rýchlostiach a v planetárnej sústave sa najrých­lejšie pohybujú planéty najbližšie k Slnku (rýchlosť Merkúra je  desaťkrát väčšia ako rýchlosť Nep­túnu). Rýchlosti elektrónov v atómoch sú pritom oveľa väčšie ako rýchlosti planét a vnútorné elektróny sa v ťažkých atómoch pohybujú rýchlosťami porovnateľnými s rýchlosťou svetla.
To, že chemické a iné vlastnosti látok sú dané najmä vonkajšími elektrónmi – to už sa na základe planetárneho modelu pochopiť nedá. Na to je naozaj potrebná Schrödingerova rovnica. Riešenia tejto rovnice však o atómoch prezrádzajú prakticky všetko – celá Mendelejevova tabuľka je v podstate obsiahnutá v týchto riešeniach. Ešte raz a pomaly: kvantová mechanika znamená úplné zjednotenie fyziky a chémie – riešením fyzikálnej rovnice pre elektróny pohybujúce sa okolo atómových jadier dostaneme v princípe všetky informácie o chemických vlastnostiach prvkov.
Teda, aby sme boli celkom presní, riešenia Schrödingerovej rovnice sa veľmi dobre zhodujú s Mendelejevovou tabuľkou len po piaty riadok (to je ten, v ktorom je striebro). Prvky v šiestom riadku (to je ten, v ktorom sú zlato a ortuť) už majú niektoré vlastnosti, ktoré zo Schrödingerovej rovnice akosi nevyplývajú. Najmä zlato a jeho susedia – platina a ortuť – tvoria výnimku v inak vynikajúcom súlade Mendelejevovej tabuľky a Schrödingerovej rovnice. A nejde len o nejaké maličkosti. Podľa tejto rovnice by ortuť mala byť tuhá a zlato, ako sme už spomínali, biele.
Keď sa však namiesto Schrödingerovej rovnice použije Diracova rovnica, vysvitne, že práve pre šiesty riadok Mendelejevovej tabuľky dostaneme nezanedbateľné rozdiely. Najvýraznejšie sú práve v prípade zlata a ortuti, z ktorých jedno sa stane žltým a druhé tekutým. Relativita teda nehrá úlohu len pri rozpínaní vesmíru či urýchľovaní častíc, ale aj v celkom bežných veciach ako sú zlaté prstene či zuby alebo ortuťové teplomery či tlakomery.

.zlaté stránky

Žltá farba však nie je jediným pozoruhodným relativistickým efektom, ktorý sa prejavuje vo vlastnostiach zlata. Tento kov je mimoriadny z mnohých stránok a takmer každá z týchto stránok súvisí s relativitou.
Relativistické efekty v rozložení elektrónov sa totiž prejavujú viacerými spôsobmi. Prvým je vlnová dĺžka svetla, ktorú sú tieto elektróny schopné pohltiť – dôsledkom je už spomínaná zlatá farba. Iným je zvláštne usporiadanie najvzdialenejších (od jadra) elektrónov, vďaka ktorému zlato len veľmi neochotne s čímkoľvek chemicky reaguje – dôsledkom je ohromná stálosť zlata a jeho odolnosť voči korózii a iným chemickým vplyvom. Usporiadanie vonkajších elektrónov vedie napokon aj k tomu, že atómy zlata sa nijako intenzívne nespájajú ani s inými atómami zlata – dôsledkom je mäkkosť a tvárnosť tohto kovu.
Všetky kľúčové vlastnosti zlata, ktoré z neho urobili základný klenotnícky materiál, sú teda dôsledkom nielen kvantovej mechaniky (Schrödingerova rovnica), ale aj teórie relativity. Tak nám to aspoň hovoria výpočty elektrónovej štruktúry atómov. (Pre úplnosť dodajme, že presné riešenie Schrödingerovej alebo Diracovej rovnice pre desiatky elektrónov je prakticky nemožné, takže všetko, o čom sme tu hovorili, je výsledok výpočtov v rámci určitých zjednodušení. Ale väčšinou ide o systematické, rozumné, spoľahlivé a dobre kontrolovateľné zjednodušenia.)
Všade, kde sa pozrieme, vidíme kvantovú mechaniku. Všetky vlastnosti látok okolo nás sú totiž prejavom vlastností ich atómov a tie sa riadia zákonmi kvantovej mechaniky. Existuje len málo látok, ktorých vlastnosti nie sú dostatočne presne opísané bežnou nerelativistickou kvantovou mechanikou. Pre porozumenie týmto látkam musíme zahrnúť do kvantových zákonov pre atómy aj teóriu relativity. Zlato je jednou z takýchto látok. Pri pohľade na zlatý nuget či šperk teda vidíme okrem kvantovej mechaniky aj teóriu relativity.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite