Dette avec relativité
Même si la vitesse de la lumière est insurmontable, les effets relativistes associés à sa proximité ont un impact direct sur la vie quotidienne. Ces effets sont, par exemple, les principaux responsables de la couleur de l'or, si apprécié dans le monde des bijoux, et du caractère liquide du mercure utilisé dans les thermomètres. Quels sont ces effets relativistes et quel rapport y a-t-il entre ces effets et ces caractéristiques distinctives des métaux mentionnés?
300.000 km/s, c'est une vitesse immense. Pour donner quelques exemples, à cette vitesse, en une seule seconde nous donnions au monde sept tours, ou la distance de la Lune à la Terre se formerait en presque une seconde. Certes, ces vitesses ne sont pas entre nos mains. Par exemple, le parking Curiosity est récemment arrivé sur Mars, à une vitesse moyenne de 12.000 km/h, soit 90.000 fois la vitesse de la lumière.
Cependant, dans le monde atomique, il y a des particules qui s'approchent de cette vitesse jusqu'aux conséquences que cela entraîne. Ainsi, dans le cas des atomes lourds comme le platine, l'or, le mercure ou l'uranium, la charge positive élevée qui s'accumule dans le noyau rend les électrons plus proches du noyau se déplacent très rapidement, à proximité de la vitesse de la lumière.
Comme on peut le déduire de la théorie de la relativité d'Einstein, dans ces cas la masse de l'électron augmente, étant celle-ci la principale source des effets relativistes visibles dans le cas des atomes lourds. C'est parce qu'en augmentant la masse des électrons qui se trouvent près du noyau, leurs orbitales diminuent. Cela provoque, à son tour, la contraction et l'élargissement de certains des orbitales superficiels qui interviennent dans la chimie d'un atome et la modification du niveau énergétique des électrons qu'ils contiennent. Cela permet d'augmenter ou de diminuer le niveau d'énergie que les électrons doivent absorber pour passer d'un niveau d'énergie à un autre.
La contraction et l'élargissement des orbitales superficielles des atomes lourds, ainsi que le changement consécutif du niveau d'énergie, donnent lieu à des propriétés d'éléments lourds qui autrement n'apparaîtraient pas.
La couleur de l'or
Une de ces caractéristiques est la couleur naturelle de l'or, si précieux dans les bijoux. C'est parce que, dans ce cas, ces expansions et contractions des orbitales superficielles font passer un électron de la surface d'un orbital ou niveau énergétique à un autre. En fait, l'énergie qui doit absorber cet électron pour faire le saut mentionné est de l'ordre de 2,7 eV, valeur qui se trouve entre les énergies de la lumière pourpre et le bleu.
Pour comprendre le jaunissement de l'or, il faut garder à l'esprit que cette couleur est complémentaire du violet, c'est-à-dire si nous enlevons le composant violet de la lumière blanche, nous voyons le jaune et vice versa.
Par conséquent, lorsque nous irradions de l'or avec de la lumière blanche, cela absorbe les photons entre le bleu et le violet, et nous voyons le reste de la lumière reflétée sur cette surface dorée.
Mais quelle est la relation entre tout cela et les effets relativistes? Analysons donc l'intervalle d'énergie correspondant à ce saut d'un orbital à un autre dans des éléments plus légers comme l'or, c'est-à-dire dans le cas du cuivre et de l'argent situés sur l'or dans le tableau périodique. Ainsi, dans le cas du cuivre cette gamme d'énergie se situe autour de 1,4 eV, tandis que dans le cas de l'argent se situe autour de 3,7 eV. Notez que les deux valeurs sont hors de la gamme d'énergie de la lumière visible. Dans le cas du cuivre et de l'argent, les effets relativistes ne sont pas si importants, mais s'il n'y en a pas, à mesure que nous descendons dans le tableau périodique, il faudrait augmenter la gamme d'énergie correspondant à ce saut. Ainsi, si ces effets relativistes n'existaient pas, l'électron mentionné dans le cas de l'or devrait absorber plus d'énergie que dans les deux autres cas pour faire ce saut. En réalité, cependant, les effets relativistes font que les niveaux d'énergie ou les orbitales qui entrent en jeu dans ce saut soient plus proches de ce qu'ils devraient, en situant leur séparation entre le cuivre et l'argent. Par hasard, pour le plaisir de nos yeux, dans le cas de l'or, ce saut énergétique reste proche du niveau énergétique de la lumière violette, et nous percevons la couleur jaune.
Mercure liquide
Un autre exemple significatif est celui du mercure. Ce métal, utilisé dans les appareils de mesure de température et de pression, est étrange, contrairement à d'autres métaux, car il est liquide à température ambiante. Et cette nuance est aussi une conséquence directe des effets relativistes.
En fait, la contraction du dernier orbital de la surface du mercure occupé par deux électrons rend les électrons qui y sont contenus fortement liés au noyau plus fortement que ceux qui pourraient être trouvés en l'absence d'effets relativistes. L'effet de la contraction de cet orbital sur cette caractéristique sera plus clair si l'on compare l'énergie d'ionisation du mercure, c'est-à-dire l'énergie nécessaire pour éliminer un électron, avec celle du cadmium et celle du zinc, qui sont plus légers que ses pairs. Ainsi, étant donné que l'énergie d'ionisation du zinc, située deux lignes au-dessus, est de 9,42 eV et que celle du cadmium, juste au-dessus du mercure, est de 9,03 eV, on devrait s'attendre à ce que celle du mercure soit inférieure à ces deux valeurs. Cependant, la contraction de l'orbittal susmentionné provoque que l'énergie d'ionisation du mercure soit de l'ordre de 10,51 eV, bien supérieur à celle des deux autres de son groupe.
Pour comprendre la relation qui a avec tout cela le fait que le mercure soit liquide à température ambiante, il convient de rappeler la structure des métaux solides. Ainsi, quand ils sont à l'état solide, les métaux libèrent les électrons restants et créent les bandes d'électrons correspondant à tous les atomes. Par conséquent, dans un métal, le noyau et les électrons internes sont placés à un certain point et les électrons libérés sont libres de se déplacer dans tout le métal autour de ces points concrets. Cette structure est la principale responsable de la conductivité électrique et thermique élevée des métaux.
Dans le cas du mercure, par contre, la contraction du dernier orbital occupé empêche l'existence de cette structure, puisque les deux électrons locaux ne peuvent pas être libres, comme cela se produirait si cet effet relativiste n'existait pas. Par conséquent, le mercure est à l'état liquide à température ambiante.
...et beaucoup plus
Cependant, le jaunissement de l'or et le caractère liquide du mercure ne sont que deux exemples des conséquences des effets relativistes. Au-delà de ces deux cas, ces effets conditionnent beaucoup la chimie des éléments lourds. Ainsi, les effets relativistes permettent à ces éléments lourds de réagir différemment. De même, le comportement chimique différent des éléments lourds et assimilables les plus légers (platine/palladium, or/argent, mercure/cadmium...) est dû en partie à ces effets.
Donc, bien que la vitesse de la lumière semble être une question de fiction, les effets qui y sont liés sont très présents dans notre vie quotidienne. Par conséquent, nous pourrions dire, dans une certaine mesure, que les êtres humains sont redevables à ces effets relativistes.
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