Altının parlak, sarı rengi tarih boyunca bir çok insanın dikkatini çekti ve zaman içinde kralların madeni olarak anılmaya başlandı. Altına verdiğimiz bu değerin temel nedenlerinden birisi, diğer metallerden farklı olan, sarı rengi idi.
Oysa ki kimyasal açıdan ele aldığımız zaman altın ve gümüşün aynı gri parıltıya sahip olması gerekiyor. Ancak söz konusu olan şey altının sarı rengi olunca işin içine kuantum mekaniği ve Einstein’ın Özel Göreliliği dahil oluyor. Bu nedenle, “Altın neden sarıdır?” sorusunun cevabını keşfetmeden önce, onu neyin parlattığını yani metallerine neden parladığını anlamamız gerekiyor.
Metaller Neden Parlar?
Metaller ışığı yansıttıkları için parlamaz. Arka plandaki cevap bundan çok daha inceliklidir. Bildiğiniz gibi, metaller ısı ve elektriği iyi iletirler. Bu pozitif yüklü çekirdeğin etrafında serbestçe hareket eden gevşek bağlı elektronlar sayesinde mümkün olur. Bu elektron denizini aşağıdaki görseldeki gibi düşünebilirsiniz.
Elektromanyetik bir dalga (ve bir enerji biçimi) olan ışık, herhangi bir metale çarptığında, bu elektron denizinde bir dalgalanma yaratır. Elektronlar ışıktan enerjiyi emer ve absorbe ettikleri ışıkla aynı frekansta titreşirler. Sonucunda da negatif yüklü elektron havuzu bir elektrik alanı oluşturur. Bunun sonucunda da metalin toplam elektrik alanını sıfır tutmak için elektronlar ikinci bir ışık dalgası oluştururlar.
Metalden yansıyan bu ikinci ışık dalgası metalin parlak görünmesini sağlar. Bu yansıyan ışık, görünür bölgedeki tüm renklerin dalga boylarının bir karışımıdır. Çoğu metale grimsi bir parlaklık veren şey budur. Ancak bu anlattıklarımız altın için geçerli değildir.
Einstein’ın Göreliliği ve Altının Sarı Renginden Sorumludur
Altın, periyodik tablonun 79. elementidir ve Au sembolü ile gösterilir. Altının çekirdeği 79 nötron ve 79 protondan oluşur, bu da onu ağır ve yoğun yapar. Bohr atom modeline göre, elektronlar çekirdek etrafında yörüngelerde hareket ederler. Çekirdeğe çekilmekten kaçınmak için de belirli miktarlarda kinetik enerji muhafaza ederler.
Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, rengini belirlemekten sorumludur. Işık bir atoma çarptığında, dış kabuğundaki elektronların bir kısmı enerjiyi emer ve daha yüksek bir enerji seviyesine atlar. Orijinal enerji seviyelerine döndüklerinde emdikleri enerjiyi ışık olarak serbest bırakarak atoma rengini verirler. Bu dış kabuk, kimyasal reaksiyonlardan ve renk dahil birçok fiziksel özellikten sorumludur.
Altının çekirdeği etrafındaki elektronlar 1,6 x 10 8 m/s (ışık hızının neredeyse yarısı) hızla dönerler. Einstein’ın devreye girdiği yer burasıdır. Özel görelilik kuramına göre (E=mc 2 ), herhangi bir parçacığın hızı ışık hızına yaklaştığında kütle kazanmaya başlar. Sonuç olarak, altının elektron kütlesi ~% 20 artar.
Kütledeki bu artış, elektronların çekirdeğin etrafında dolaşması gereken yolu daraltır. Bu yol, aşağıdaki formülle verilen Bohr yarıçapı olarak da bilinir. Formülün detaylarına girmesek de bilmeniz gereken formülde de gördüğünüz gibi kütle ve yarıçapın ters orantılı olduğudur.
Bohr yarıçapındaki azalma ve elektronların kütlesindeki artış, altının gözümüze sarı renkte gözükmesinin ana nedenidir. Ancak kimya haklında yeterince bilginiz varsa, periyodik tabloya hızlıca bir bakış, şu ana kadar anlattığımız şeylerde bir eksiklik olduğunu hissettirecektir. Cıva ve kurşun gibi altından daha ağır olan ancak yine de gümüşi bir parlaklığa sahip olan birçok başka metal vardır.
Altının Sarı Rengine Kuantum Mekaniği de Katkıda Bulunur
Kuantum modeline göre elektronlar, hem dalga hem de parçacık özelliği gösteren ve bir olasılık bulutu içinde var olan kuantum parçacıklarıdır. Atomların hepsi farklı şekillerde olan s, p, d ve f orbitalleri vardır. S yörüngesinin küresel bir şekle sahip olduğu bilinmektedir.
Küre biçiminin özelliği nedeniyle de s orbitalinde bulunan elektronlar pozitif yüklü çekirdeğe en fazla çekilenler olacaktır. Bunun sonucunda da altının en dıştaki yörüngesi olan 6s, ~%17 oranında daralır. Bu durum, son yörünge (6s) ile sondan önceki yörünge (5d) arasındaki mesafeyi azaltır.
Daha önce de belirtildiği gibi, ışık altın üzerine düştüğünde, elektron denizi bu enerjiyi emer. Bu nedenle altın atomları, daha düşük enerjili 5d orbitalinden daha yüksek enerjili 6s orbitaline atlamak için gereken enerji miktarını emer. Ancak 5d ve 6s yakınlaşması nedeniyle elektronlar bu tür geçişler için normalden daha az enerji emecektir.
Altın atomları tarafından emilen enerji, görünür spektrumun mavi-mor bölgesine aittir. Metal tarafından yansıtılan ikinci dalga, mavi ve mor hariç, görünür spektrumdaki diğer tüm renklerden oluşur. Bu nedenle gözümüze ulaşan ışığın görünür dalga boyları kırmızı-yeşil bölgeye aittir. Bu renklerin birleşimi de “Altın neden sarıdır?” sorusunun cevabını verir.
Görelilik Altının Kolayca Paslanmamasını da Sağlar
Altın atomlarındaki bir diğer görelilik etkisi ise kolayca paslanmaması ve tepkimeye girmemeleridir. Altın en dış katmanında sadece 1 elektron taşır ancak bu durum onu kalsiyum veya lityum gibi kolay tepkimeye giren bir madde yapmaz.
Sonucunda altın elementinde atomlar olması gerekenden ağırdır ve sıkı sıkıya çekirdeğe yaklaşmışlardır. Bu yüzden en dıştaki elektron da diğer elektronlarla beraber çekirdeğe yakın durur ve tepkimeye girmez.
Altının tüm bu özellikleri onu uzay araştırmalarının önemli bir parçası haline getirir. Sonucunda yüksek elektrik iletkenliği ve korozyona karşı bağışıklığı nedeniyle altın uydu bileşenlerinde kritik öneme sahiptir.
Bu nedenle bir dahaki sefere birisi “Özel görelilik kuramı günlük hayatta bir işe yaramaz” derse, onlara bu kuramın mücevherlerimizin parlak olmasını sağladığını ve GPS sistemlerimizi çalışır durumda tuttuğunu hatırlatabilirsiniz. Ayrıca merak ederseniz: Dünyada Altın Nasıl Oluştu? Tüm Altın Yıldızlardan mı Geliyor?
Kaynaklar ve ileri okumalar
- A Chemist Explains Why Gold Beat Out Lithium, Osmium, Einsteinium; https://www.npr.org/
- Why is gold yellow? Bağlantı:; https://www.sciencefocus.com
- Why is Gold yellow? Spoiler alert: Einstein again; Yayınlanma tarihi: 25 Şubat 2021; Kaynak site: ZME Science. Bağlantı: Why is Gold yellow? Spoiler alert: Einstein again;
- Why Is Gold Golden? Yayınlanma tarihi: 6 Ocak 2022; Kaynak site: Science ABC. Bağlantı: Why Is Gold Golden
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
