金の鮮やかな黄色の輝きは、驚くべきことに、アインシュタインの特殊相対性理論と電子の二重性質の結果です。何千年もの間、人類は金属の輝きに催眠術をかけられてきました。戦争が行われ、大陸が侵略され、遠征隊が密集した危険なジャングルに導かれました。すべては、永遠の金属である金を手に入れるためでした。 一見 これとは関係ありませんが、特殊相対性理論によると、光速より速く移動できるものはありません。待ってください、相対性理論は金と何の関係があるのでしょうか?相対性理論は、物理学者や天文学者が熟考するだけでなく、私たちが賞賛する理論でもあります。私たちはこれに気付いていないかもしれませんが、家のすぐ近くに影響を与えています。きらめく貪欲で人類を盲目にした黄金の光沢のある黄色も、アインシュタインの特殊相対性理論の結果です。金を金色にしているものを発見する前に、まず金を輝かせるものを理解する必要があります。
なぜ金属は光沢があるのですか?
簡単に言えば「光が表面で跳ね返るから」となりますが、金属はそうではありません。その場合、光のリズムに合わせて踊る非常に小さな粒子が関係しています。電子の海
私たちは、金属が熱と電気の優れた伝導体であることで知られていることをよく知っています.これらの性質は、正に帯電した原子核の周りを自由に動き回る、ゆるく束縛された電子によって可能になります。多くの金属原子が集まって金属を形成すると、負に帯電した電子の水たまりができ、自由に動き回ることができます。科学者たちはこれを「電子の海」と呼んでいます。
どの金属原子にも属さない電子の海
電磁波 (およびエネルギーの形態) である光は、電場と磁場 (EM 場) という取り巻きと共に移動します。金属に衝突すると、EM フィールドが電子の海にさざなみを作ります。電子は光からエネルギーを吸収し、吸収した光と同じ周波数で振動します。ほとんどの金属では、それらが吸収するエネルギーは、EM 波の紫外領域に対応します。荷電粒子が互いに相互作用すると、場が生じます。この場合、入射光の結果として移動する負に帯電した電子のプールが電界を生成します。金属の全電場をゼロに保つために、電子は光の第 2 波を生成します (もしそうでなければ、光る金属に触れるたびに小さな衝撃を受けるでしょう)。
電子の海によって反射された光の第 2 の波。
金属から出たこの第 2 の光の波が私たちの目に届き、金属が輝いて見えます。金属から反射された光は、可視領域のすべての色の波長の混合物です (ただし、同じ比率ではありません)。これが、ほとんどの金属にほとんど白く、しかし灰色がかった輝きを与えるものです... 私たちの最愛の金（銅とセシウムも同様）を除いて.
光沢のある金属球 (写真提供:snappygoat)
アインシュタインの相対性理論と金原子
金は周期表の 79 番目の要素であり、記号 Au が付いています .金の原子核は 79 個の中性子と 79 個の陽子で構成されており、非常に重く密度が高いです。したがって、実効核電荷または電子が経験する実際の正電荷（79も）はその後高くなります。静電引力による原子核への衝突を避けるために、負に帯電した電子は余分に働かなければなりません。
アトミック ファクト
ボーアの原子モデル
ボーアの原子モデルによると、電子は原子核の周りを軌道で移動します。それらは、石を糸に結び付けて特定の速度で回転させた場合と同様に、核に引き込まれないように一定量の運動エネルギーを維持します。中心から距離を保ちますが、それをやめた瞬間、石は中心に渦巻く、つまり「落下」します。金の原子核の周りの電子は、1.6 x 10 8 m/s (光の速度のほぼ半分) で回転します。ここで相対論効果が発揮されます。特殊相対性理論 (E=mc2) によれば、粒子の速度が光速に近づくと、質量が増加し始めます。その結果、金の電子の質量は約 20% 増加します。ボーア半径
この質量の増加により、電子が核の周りを移動するために必要な経路が縮小します。この「パス」はボーア半径としても知られており、次の式で与えられます。
式では、a0 (ボーア半径) と me (電子の質量) が反比例することがわかります。どちらかが増えれば、もう一方は減ります。相対論的収縮によるボーア半径の減少と電子の質量の増加が、私たちの目に金が黄色に輝く理由です。ただし、周期表をざっと見てみると、この話には筋書きの穴があることがわかります。水銀や鉛など、金より重いのに銀色の輝きを放つ金属は他にもたくさんあります。この一見矛盾した状況を説明するには、すべての SF 映画のプロット ホールの救世主が必要です… 量子力学!
ダイナミック デュオ:特殊相対性理論と量子力学
量子力学の出現により、「金の色」に対する科学者の見方が変わりました。量子モデルによれば、電子は波動と粒子の両方の性質を示す量子粒子であり、確率の雲の中に存在します。この電子雲または原子軌道は、空間の特定の領域で電子を見つける確率に関する情報を提供します。たとえば、電子が自転車に乗っている場合、ボーアのモデルではルートが 1 つの通りに限定されますが、量子モデルでは特定の郵便番号内のどこにでも乗ることができます。
核の周りの異なる形状の電子雲 (写真提供:ThreePhaseAC
/ウィキメディア・コモンズ)
s 軌道の原子軌道の形状 (写真提供:Geek3/Wikimedia Commons)
その結果、金原子のすべての s 軌道は原子核にわずかに引き寄せられます。 6s である金の最も外側の軌道は、約 17% 収縮します。核に向かってs軌道が密集すると、核から離れて拡大する他の軌道が経験する効果的な引っ張りが減少します。これにより、最後の軌道 (6s) と最後から 2 番目の軌道 (5d) の間の距離が短くなります。
相対論的収縮の効果
前述のように、光が金に当たると、電子の海がそのエネルギーを吸収します。金原子は、低エネルギーの 5d 軌道から高エネルギーの 6s 軌道にジャンプするのに必要な正確な量のエネルギーを吸収します。相対論的収縮により、5d と 6s が接近しているため、電子は通常よりもこのような遷移で吸収するエネルギーが少なくなります。金原子によって吸収されるエネルギーは、可視スペクトルの青紫領域に属します (紫外線領域ではなく)。金属によって反射される 2 番目の波は、青と紫を除く、可視スペクトル内の他のすべての色で構成されます。私たちの目に届く光の可視波長は赤緑の領域に属し、これらが組み合わさると黄色になります。結論
金に対する E=mc2 の効果は、その眩しさにとどまりません。また、金が環境要因に反応するのを防ぎ、永遠に完璧な状態を保ちます。可視光を取り入れ、紫外線と赤外線を反射する金の能力により、金は宇宙服 (バイザーなど) の設計に不可欠な要素となっています。また、優れた導電性と、紫外線や X 線による腐食に対する耐性があるため、人工衛星のコンポーネントにも重要です。
したがって、次に誰かが「特殊相対性理論は日常生活に影響を与えない」と言った場合は、そのおかげでジュエリーが輝き、GPS システムが機能していることを思い出してください。
宇宙飛行士のバイザーには薄い金の層がコーティングされています (写真提供:MGS/Shutterstock)
