iStockphoto.com/bodnarchuk
Золото издавна являлось «мерилом всех вещей»: оно не портится, занимает мало места, легко разделяется на части и вновь сплавляется, его относительно легко очистить. Встречается оно в природе редко, а добыча Au, как хорошо знают геологи, сопряжена с большими затратами времени и труда. Наконец, золото просто красиво, и из него можно создавать предметы роскоши.
Минералогии, геохимии и физическим свойствам золота посвящены многие тысячи работ, однако до сих пор не было корректного объяснения, почему цвет «золотого тельца» в отличие от других типичных металлов не серый, а желтый, и как это связано с электронными свойствами этого благородного металла. Недавно это стало ясно из результатов квантово-механических расчетов, выполненных с рекордной точностью группой международных специалистов из Новой Зеландии, Словакии, Голландии и Израиля.
Ученые вычислили значение электронного сродства (EA) и первого потенциала ионизации (IP, энергия, необходимая для отрыва электрона) атома Au с точностью в единицы миллиэлектронвольт — на порядок лучше, чем в предыдущих работах. Сложность расчетов связана с необычно сильными релятивистскими энергиями электронов золота, требующих поправок из области специальной теории относительности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а кратко о нем сообщает Physics.
Аппарат современной квантовой физики позволяет с большой точностью «вычислить» электронные свойства атомов с малым Z — для водорода расхождение между теоретическими расчетами и экспериментальными данными составляет триллионные доли электронвольта, для большинства ионов с небольшим количеством электронов — порядка тысячных долей электронвольта. Однако с движением вниз по таблице Менделеева c возрастанием зарядового числа элемента сложность расчетов возрастает. Появляется в частности важный фактор — «релятивистское сжатие». Для этих тяжелых элементов за счет увеличения заряда ядра внешние электроны атома обладают кинетической энергией, которая соответствовала бы околосветовым скоростям. Это, в свою очередь, требует специальных поправок, которые в первом приближении можно описать как кажущееся увеличение массы электрона и уменьшение «радиуса» его орбитали.
Эти поправки приводят к серьезным изменениям в свойствах металлов, с которыми можно встретиться в повседневной жизни. К примеру, благодаря релятивистским эффектам золото и цезий — желтые, а ртуть — жидкая. Кроме того, эти эффекты сказываются на химических свойствах веществ: сродство золота к электрону оказывается сопоставимым с таковым у типичных неметаллов — галогенов. Из-за этого оказываются стабильными ауриды щелочных металлов, в которых ионизированное отрицательно заряженное золото играет роль аниона (как хлор в хлориде натрия).
Попытки теоретически описать такое большое сродство к электрону дают результаты, не совпадающие с экспериментом. Ошибка расчетов составляет сотые и даже десятые доли электронвольта. Авторы цитируемой выше работы увеличили точность расчетов и добились расхождения между теорией и экспериментом в тысячные доли эВ.
Следует отметить, что в своих расчетах физики использовали метод связанных кластеров, учитывающий корреляции между пятерками электронов оболочки атома и возбужденные состояния этих кластеров, что соответствовало значительному увеличению вычислительной сложности задачи. Тем не менее, ученым удалось в результате вычислить первый потенциал ионизации золота с ошибкой в 3,2 тысячных электронвольта, а энергию сродства к электрону — с ошибкой в 1,4 тысячных электронвольта, что и определило успех объяснения физико-химических свойств золота, в частности цвета этого благородного металла.
Центр перспективного развития ВСЕГЕИ
Источник(и): L. F. Pašteka, E. Eliav, A. Borschevsky et al. «Relativistic Coupled Cluster Calculations with Variational Quantum Electrodynamics Resolve the Discrepancy between Experiment and Theory Concerning the Electron Affinity and Ionization Potential of Gold». Phys. Rev. Lett. 118, 023002 – Publ. 10 Jan. 2017
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.023002
https://nplus1.ru/news/2017/01/12/relativistic-gold
