Щоб зрозуміти, чому до звичайного кольору золота не домішуються жодні інші відтінки, ми повинні проаналізувати складні взаємодії між його електронами.
Роль золота в розвитку людської цивілізації складно переоцінити. Але зараз мова піде не про історію товарно-грошового обміну і не про тонкощі ювелірної справи, а про речі набагато простіші і одночасно набагато складніші - ми спробуємо відповісти на питання, чому золото жовтого кольору.
По-перше, давайте згадаємо, що таке колір і звідки він береться. Ми знаємо, що світло - це тип електромагнітного випромінювання, яке переноситься фотонами. Енергетичний спектр фотонів дуже широкий, від гамма-променів і рентгену до мікро- і радіо-хвиль, і тільки невелика їх частина, видима людському оку, відповідає тому, що ми сприймаємо як світло. Фотони з різною енергією, з різною довжиною хвилі ми сприймаємо як різні кольори: чим довша хвиля, тим менша енергія і тим червоніший колір.
Білий колір - це суміш фотонів усього видимого спектра. Ми приписуємо об'єкту певний колір, оскільки його поверхня поглинає частину спектра, відображаючи все інше, тобто із загального білого «відфільтровуються» певні кольори. Іншими словами, коли ми бачимо яскраво-зелений лист, це означає, що поверхня листа поглинула всі кольори, крім зеленого. Звичайно, мало що поглинає весь спектр крім однієї конкретної довжини хвилі, і тому біля кольорів ми бачимо різні відтінки. Якщо ж поглинаються всі кольори, то в результаті об'єкт нам бачиться чорним.
Як відбувається поглинання світла з фізичної точки зору? Не заглиблюючись у подробиці взаємодії світла з речовиною, давайте згадаємо основні моменти. Все навколо складається з атомів різних хімічних елементів. Кожен атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого знаходяться негативно заряджені електрони. Залежно від хімічного елемента змінюється кількість електронів, і чим їх більше, тим більше так званих рівнів енергії заповнено: через заборону Паулі електрон не може перебувати в тому ж місці і з тією ж енергією, що й інший електрон, і вони змушені триматися далі один від одного, заселяючи одну атомну оболонку за іншим.
Електрони можуть переходити з зайнятих рівнів на вільні, якщо у них є на це додаткова енергія. Наприклад, коли електрон поглинає фотон з енергією, рівною «відстані» між рівнями, то він може перейти на більш високий рівень або навіть в зону провідності, якщо енергії фотона достатньо щоб «відірвати» електрон від атома. Таким чином, електронна структура визначає, які фотони поглинуться, а які - відіб'ються. Також можлива ситуація, коли електрон повертається на місце, випускаючи фотон назад, часто з меншою енергією, або просто перетворює різницю в енергії в тепло. Саме тому світло зігріває!
Розрахунок електронних властивостей атома - завжди складне завдання, особливо для важких елементів з великою кількістю електронів. Пам'ятаєте шкільні задачки з електромагнетизму, де потрібно було розрахувати кулонівську силу декількох точкових зарядів? А тепер уявіть, що ці заряди рухаються з навколосвітніми швидкостями і підкоряються законам квантової механіки, тобто неможливо з точністю визначити їх положення в просторі або їх швидкість. І якщо для атома водню таке завдання порівняно просте, то в будь-якому іншому хімічному елементі ми повинні брати до уваги взаємодію електронів з кулонівським полем ядра і один з одним. Фізики розробили досить ефективні методи для розрахунку електронної структури і для таких складних випадків, але вони досить трудомісткі і зазвичай вимагають серйозних обчислювальних потужностей.
Спочатку вважалося, що релятивістські ефекти не повинні чинити істотного впливу на рух електронів в атомі, але дослідження тонкої структури переконало їх у зворотному. Виявилося, що чим більше електронів в атомі, тим більш істотними виявляються релятивістські поправки до електронної структури, так що розрахунок електронної структури ускладнився ще сильніше. Розділ науки, який займається скрупульозним обчисленням електронної структури різних атомів та їх фізичних і хімічних властивостей, називається релятивістською квантовою хімією.
Золото - один з хімічних елементів, фізичні властивості якого особливо сильно залежать від релятивістських ефектів. Його 79 електронів займають атомні оболонки аж до шостої, на якій зазвичай живе валентний електрон. Через спін-орбітальну взаємодію (так називають взаємодію моменту руху електрона з його магнітним моментом) та інших релятивістських поправок відстань між останніми заселеними оболонками атома золота, 5d і 6s, складно оцінити теоретично: зазвичай передбачений зазор виявляється більше, ніж показує експеримент.
Перехід 5d-6s відповідає синій частині спектра, і в результаті золото сильно поглинає синій колір. Саме тому воно бачиться нам жовтим. Але якби теоретики були абсолютно праві, золото було б більш сріблястого відтінку, оскільки воно поглинало б також фіолетове або ультрафіолетове випромінювання. Крім того, розрахунки серйозно промахуються повз правильні значення енергії іонізації (тобто енергії «відриву» електрона від атома) і енергії споріднення (так називаються енергія, необхідна для того, щоб приєднати електрон до атома).
Дослідники з Нової Зеландії, Ізраїлю, Словаччини та Голландії під керівництвом Петера Швердтфегера (Peter Schwerdtfeger) розробили метод надточного розрахунку електронної структури для важких атомів (повністю він описаний у статті в журналі Physical Review Letters). Нова модель враховує релятивістські ефекти, квантову електродинаміку та електронні кореляції, які включають в себе взаємодії між електронами високого порядку.
Якщо інші способи розрахунку враховують тільки потрійні взаємодії між трьома електронами - а їх у золоті 79! - то в цій роботі беруться до уваги також четверті і п'ятірні взаємодії. Більш того, новий метод дозволяє аналізувати структуру і для більш важких атомів, а їх, завдяки зусиллям фізиків-ядерників, на сьогоднішній день налічується вже цілих 38. Завдяки цьому фізики змогли на порядок зменшити розбіжності між теорією та експериментом, і питання «чому золото жовте?» - саме жовте, без якихось сріблястих відтінків - отримав, нарешті, міцну квантово-хімічну відповідь.