Efekt relatywistyczny

Jako efekt relatywistyczny w fizyce nazywa się wówczas zjawisko, o ile nie występuje już w fizyce klasycznej , ale tylko przez teorię względności można adekwatnie opisać.

W bardziej konkretnym sensie termin ten jest używany w chemii fizycznej w odniesieniu do właściwości ciężkich pierwiastków, które można wyjaśnić jedynie poprzez zastosowanie relatywistycznej mechaniki kwantowej . Ten artykuł jest ograniczony do tego.

Relatywistyczne efekty w atomie

O wyższej liczbie atomowej wzrasta elektrostatyczne siły przyciągania w jądrze w elektrony. Elektrony powłok wewnętrznych osiągają prędkości bliskie prędkości światła (np. W Oganesson do 86% prędkości światła). W rezultacie nierelatywistyczny wzór na energię kinetyczną jest już nieaktualny. Zastosowanie szczególnej teorii względności prowadzi do skurczenia się orbitali s (i niektórych orbitali p). W rezultacie elektrony lepiej osłaniają ładunek jądrowy, a poziomy energii innych orbitali są podwyższone.

Doskonałym tego przykładem jest uderzająca różnica kolorów między srebrem a złotem . Ale ciekły stan skupienia z rtęci można również tłumaczyć efektem relatywistycznym.

Jedną z konsekwencji efektu relatywistycznego jest przyporządkowanie sztucznych pierwiastków (o wysokiej liczbie atomowej) do grupy w okresowej tablicy się niepewna. Na przykład dyskutowano, czy Kopernik ma właściwości gazu szlachetnego .

Efekt relatywistyczny wyjaśnia także „efekt obojętnej pary elektronów” ( efekt pary inercyjnej ), tj. tj. wyjaśnia, dlaczego najbardziej zewnętrzna para elektronów na orbicie walencyjnym jest pozornie obojętna .

Rozważania teoretyczne

Z matematycznego punktu widzenia nierelatywistyczny operator Hamiltona należy zastąpić relatywistycznym. W przypadku atomów działa to stosunkowo dobrze z równaniem Diraca zamiast równaniem Schrödingera . W przypadku lżejszych pierwiastków dominują terminy, takie jak poprawka Breita dla interakcji elektron-elektron i elektrodynamika kwantowa (QED) polaryzacji próżni i fluktuacji próżni . Od mniej więcej liczby porządkowej 50 ten ostatni termin nie odgrywa już żadnej roli, ponieważ polaryzacja próżni i fluktuacja próżni przyjmują prawie takie same wartości. W grupie układu okresowego termin określający efekty relatywistyczne rośnie iw szóstym okresie osiąga rozmiary, których nie można już lekceważyć. Dlatego należy je uwzględnić w przypadku pierwiastków z cezu (liczba porządkowa 55). ${\ displaystyle Z ^ {2}}$

W przypadku elementów piątego okresu układu okresowego skurcz lantanowca odgrywa kluczową rolę w opisie zachowania. Jednak zgodnie z tym poziomy energetyczne s i d srebra i złota powinny być mniej więcej takie same. Jednak w złocie obserwuje się kurczenie się 6 i ekspansję poziomu 5d. W przypadku Copernicium (liczba atomowa 112) efekt ten jest jeszcze wyraźniejszy; prawdopodobnie różnica poziomów między elektronami 6d i 7p jest tak wielka, że ​​Kopernik ma charakter gazu szlachetnego.

Dalsze przykłady

W przypadku nierelatywistycznym poziomy energetyczne srebra i złota 5d i 6s byłyby podobne. Jednak ze względu na efekt relatywistyczny poziomy 6s są zmniejszane, a poziomy 5d rozszerzane. Powstaje różnica energii, która odpowiada długości fali światła niebieskiego ( pochłaniane jest światło niebieskie , pozostaje znajomy złotożółty kolor). Jednocześnie skraca się długości wiązań w związkach złota (o ok. 20 µm dla dimeru złota ). W przypadku pierwiastka Roentgenium efekt ten jest prawdopodobnie jeszcze wyraźniejszy.

Tendencja ciężkich pierwiastków do tworzenia tlenków nie jest zgodna z oczekiwanymi właściwościami. Tak więc, PbO najbardziej stabilny tlen związek z ołowiu , a krzemu , germanu i cyny stabilny dwutlenku postać Me O ₂ formy. Według szacunków teoretycznych duża część napięcia elektrycznego przyłożonego do biegunów akumulatora kwasowo-ołowiowego wynika również z teorii względności. Podobnie nie jest znany stabilny tlenek bizmutu (V), ale znane są fosfor , arsen i antymon .

literatura

• Pekka Pyykkö : Relatywistyczna teoria atomów i cząsteczek. A bibliography 1916-1985, Lecture Notes in Chemistry, No. 41, 389 s. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-Nowy Jork (1986). ISBN 3-540-17167-3 .
• Pekka Pyykkö: Relatywistyczne efekty w chemii: bardziej powszechne niż myślisz . W: Annual Review of Physical Chemistry, tom 63: 45-64. doi : 10.1146 / annurev-physchem-032511-143755

linki internetowe

• Einstein in Chemistry , Spectrum of Science, grudzień 2005

Indywidualne dowody

1. ↑ Cracks in the Periodic Table, Eric Scerri Cracks in the Periodic Table, Eric Scerri , Spectrum of Science wydanie 8/14, strona 78 i nast.