狭义相对论与黄金

文章来源：万象经验

原文作者：Eugene Wang

物体之所以有颜色，是因为它们的电子与某些波长的光共振最强，它们吸收这些波长的光并将所有其他波长反射回我们的眼睛。大多数金属电子与紫外线的共振最为强烈，因此它们平等地反射所有波长的可见光，这使它们呈现出银色。但黄金与众不同，它呈现出的却是高贵的金色，为了解释黄金与其他金属的区别，我们需要应用狭义相对论。

根据爱因斯坦的狭义相对论，当一个物体速度越快，它的质量会变得越来越大。像氢这样只有一个质子和一个电子的轻原子中，静电力很弱，因此电子绕原子核运行的速度非常慢。但金的原子核中有79个质子，因此电子会受到巨大的静电吸引。为了避免与原子核碰撞，最里面的电子需要以光速一半的速度行进。当物体的速度变得如此之快时，相对论效应变得至关重要：电子质量增加约20%，这对电子轨道的原子半径有直接影响：轨道半径减小。

到目前为止，我们一直在使用原子的玻尔模型，该模型假设电子围绕原子核运行，就像行星围绕太阳运行一样。但要追根究底，我们需要使用更准确但更复杂的量子模型。该模型用概率云取代了轨道电子，概率云显示了电子最有可能出现的位置。

离原子核最近的电子在1s轨道上，下一个轨道是2s轨道，总而言之它有六个s轨道，它们都是球状的。但并非所有电子轨道都是球体，其他轨道：如p轨道看起来像两个气球，而d和f轨道看起来更奇怪。

如果你仔细观察s轨道，你会发现概率分布并不是平均分布的。 电子有可能更靠近原子核，因为它们喜欢处于较低的能量状态。最有可能找到电子的区域称为概率峰，所有s轨道的概率峰都非常靠近原子核。正如我们前面讨论的那样，靠近原子核意味着电子以超高速运动，这意味着金原子的所有六个s轨道都相对论收缩。

但是d轨道的概率峰值离原子核更远。因为它们感觉不到强大的吸引力，所以它们不会达到很高的速度，所以它们不受这种相对论收缩的影响。更重要的是，随着s轨道中的电子与原子核的结合更加紧密，它们还起到了一种静电屏蔽的作用。因此更远的d轨道中的电子感受到来自原子核的更弱的力，并使半径进一步扩展。

在这个量子模型中，波长的吸收也发生在轨道之间。大多数金属在紫外光谱中具有峰值吸收波长，这意味着它们会反射所有可见光。对于金，这种吸收发生在5d和6s轨道之间。5d轨道上的电子会吸收一定波长的光子并跳到6s轨道上。如果不考虑相对论，从 5d 轨道跳到 6s 轨道所需的能量将对应于紫外线光谱中的频率，就像其他金属一样。 但是由于相对论效应，6s和5d轨道靠得更近了，科学家测得它对应于蓝光和紫光的频率。

吸收蓝光和紫光并反射其余可见光，黄金就呈现高贵的黄色。为什么其他更重金属（如汞和铅）没有发生这种情况，是因为它们的峰值吸收波长不在金发姑娘区。