Metal para basımında kullanılan elementlerden altın, gümüş ve bakırın bazı temel özellikleri (kimyasal davranış ya da renk gibi) atomlarında önceden belirlenmiş durumdadır. Altının benzersiz özelliklerini Albert Einstein'ın görelilik kuramı ile büyük ölçüde açıklamak mümkün. Heidelberg Üniversitesi'nden kimyacılar, altın, gümüş ve bakır karbenlerle yaptıkları incelemeler sonucunda bunu göstermeyi başardı. Araştırmacılar bu üç elementi karşılaştırmak için herbir metalin sadece tek bir atomu üzerinde çalıştı. Prof.Dr. Bernd Straub liderliğindeki ekibin elde ettiği sonuçlar, Angewandte Chemie dergisinin uluslararası basımında yayımlandı.

Kimyasal elementlerin özellikleri periyodik olarak yinelenir. Çünkü benzer özellikli elementlerin en dış elektron kabuklarındaki elektron sayısı aynı olur ve farklılıkların nedeni sadece iç elektron katmanlarıdır. Bakır, gümüş ve altın böyle benzer özelliklere sahip elementlerdir. Organik Kimya Enstitüsü araştırmacılarından Prof. Straub şöyle açıklıyor: “Bakır metalini, gümüş metalini ve altın metalini, çok sayıda atomlarından oluşmuş örneklerini ele alarak karşılaştırmak hiçbir zaman problem olmadı. Zaten saf metaller bin yıldır bilinmekteydi.” Fakat ekibin başardığı şey, tekil atomlar arasındaki farkı ortaya koymak oldu. Bunu yaparken de, metal atomlarının bir karbon atomu ile çifte bağlar kurarak çok güçlü etkileştiği bir molekül ile çalıştılar.

Heidelberg bilimcileri araştırmalarına karbon ve altın arasındaki genellikle kararsız (çünkü yüksek düzeyde reaktif) çifte bağ ile oluşan altın karbenlerle başladı. Prof. Straub ve ekibi kimyasal bir numara çekerek, araştırma amacıyla kararlı bir altın karben kompleksi elde edip yalıtmalarını sağlayan bir yol buldu. Sonraki adımları da aynı şeyi, altın karbenden daha kararsız olan bakır karben ve gümüş karben için başarmak oldu. Elde ettikleri kompleksler, bilimcilerin bu üç metalin moleküler ölçekte ayrıntılı bir karşılaştırmasını yapmasına olanak sağladı. Özellikle çok kararsız olan gümüş karbenin kristalizasyonu yoluyla, gümüş ve çifte bağlı karbon arasındaki bağın uzunluğunu, yapısal x-ışın analizi ile belirlediler. Ardından bunu altın ile karbon arasındaki daha kısa ve daha güçlü bağ ile kıyasladılar.

Gözlemlerine dayanarak, araştırmacıların vardığı sonuç, altının özelliklerinin en temelde görelilikcil etkiler tarafından belirlendiği oldu. Söz konusu etkiler, bir görüngü fizikte artık klasik olarak tanımlamadığında belirir. Kimyada bu durum belli elementlerin özellikleri için geçerlidir. Görelilikcil etkiler Einstein'ın görelilik kuramından, yani enerji, kütle ve ışık hızı arasında bağ kuran ünlü E=mc^2 formülünden türer. Kararlı elementler arasında bu görelilikcil etkilerin en göze çarpar durumda olduğu element altındır. Buna en bilindik örnek, sapsarı altın ile renksiz gümüş arasındaki çarpıcı renk farkıdır.

Bernd Straub şöyle açıklıyor: Eksi yüklü altın elektronları, 79 kat fazla artı yüklü altın çekirdeğinin çekimine bağlı olarak öylesine yüksek (ışık hızı c'ye yakın) hızlara ulaşırlar ki, ilave hareket enerjisi (E) hızlarını daha da arttıramaz. Böyle olunca da elektronların kütlesi (m) artar. Bu etki, aktif olan ve dolayısıyla kimyasal davranış, renk ve metalik özelliklerden sorumlu olan en dış elektron kabuğunda görülür. Altın söz konusu olduğunda bağların güçlenmesine neden olur. Altın bileşikleri bu nedenle örneğin iki karbon atomu arasında üçlü bağ aktifleştirme konusunda daha yüksek şansa sahip olur. Yapılan çalışmaya göre, her ne kadar gümüş periyodik cetvelde altına komşu olsa da, atomik davranış açısından bakır altına daha çok benziyor.

Heidelberg kimyacılarının araştırmasından çıkan sonuçlar, Einstein'ın görelilik kuramının astronomi ve uzay yolculukları konusunda yaşamsal önemde olmakla kalmadığını gösteriyor. Kuram elektronların, atomların ve moleküllerin dünyasında da aynı derecede önemli.

 

---

Kaynak: Phys.org, “Einstein's theory of relativity explains fundamental properties of gold”
< http://phys.org/news/2015-10-einstein-theory-relativity-fundamental-properties.html >

Referans: Matthias W. Hussong et al. Copper and Silver Carbene Complexes without Heteroatom-Stabilization: Structure, Spectroscopy, and Relativistic Effects, Angewandte Chemie International Edition (2015). DOI: 10.1002/anie.201504117

---