Gull: Hvorfor Nobel-medaljens farge krever en håndfull Nobelpriser å forstå

Nobelpris-medaljen. Av gull, så klart. Å forklare hvorfor medaljen har denne fargen krever minst en håndfull nobelprisvinnende oppdagelser innen fysikk og kjemi.

Gull. Få stoffer har så mye historie, så mange referanser i litteratur, så stor symbolsk verdi. Det er funnet kunstgjenstander av gull som er opp til seks tusen år gamle, og både sportens, ærens og forskningens ypperste medaljer er laget av gull – men hvorfor har gull en så pen farge? For å skjønne det trenger vi både kvantemekanikk og relativitetsteori – de to store fysikkrevolusjonene fra 1900-tallet – og en gjeng hippier som bor i kollektiv øverst i en høyblokk.

Gullatomet: En atomisk høyblokk

Gull er et grunnstoff. Det vil si at hvis vi tar en klump med gull og deler den opp i mindre og mindre biter, så ender vi opp en en haug med helt like atomer. De vil alle bestå av en atomkjerne med 79 protoner og 118 nøytroner, og en sky rundt av 79 elektroner. Se bildet under. Elektronene er ikke tilfeldig plassert – de befinner seg i en slags etasjer, eller

energinivåer. To i den innerste etasjen som det krever lite energi å ta trappen opp til, åtte i den neste etasjen som krever litt mer energi å nå, og så videre, helt til den ytterste etasjen der det bare bor ett eneste elektron.

Et gullatom - illustrert på en pedagogisk men ikke helt vitenskapelig riktig måte...

Denne enkle måten å beskrive atomer på stammer fra Niels Bohr, som fikk Nobelprisen i fysikk for (blant annet) dette i 1922. Den regnes fortsatt som en god modell, men måten bildet her er tegnet på er fryktelig misvisende. Elektronene ligger ikke i rene, pene etasjer som i en høyblokk, men snarere i det vi i dag kaller orbitaler som har rett så interessante former. De flyr heller ikke rundt i pene, satelittaktige baner – men mer om det etterpå. Det viktige nå er at atomene har elektroner i etasjer – eller altså energinivåer – og en toppetasje med bare en beboer.

Gullstøv er ingen god presang

Skal du gi kjæresten en pen presang så ikke velg gullstøv. Stygt nå men med potensiale til å bli pent hvis det bare tar seg sammen - symbolikken kan bli tatt ille opp...

Hvordan ser så en haug med gullatomer ut? Ikke noe å skryte av – se bildet til venstre. Fargen er mer brun og så absolutt ikke metallisk og skinnende. Hva er problemet?

Et stoff får farge fordi det tar opp noen typer lys og sender tilbake andre. Lys kan som kjent ha mange farger, og hvitt lys er lys som består av alle farger som øynene våre kan se på en gang. Hvis hvitt lys treffer en rød sofa så er det som skjer at de fleste fargene tas opp av stoffet mens det røde lyset sendes tilbake igjen.

For å sette mer vitenskapelig språk på dette trenger vi Bohrs atommodell igjen, og dessuten Max Planck og det han fikk Nobelprisen for i 1918. Lys kan både sees på som en bølge og som små pakker av energi, og forholdet mellom energien til denne pakken og bølgelengden til en lysbølge er den såkalte Plancks konstant. Vi er nå dypt inne i kvantefysikken, en av de to store revolusjonene som definerer det vi kaller moderne fysikk.

Når et stoff, enten det er gullstøv eller en sofa, «tar opp» lys så betyr dette at det må spise opp energien i lyset. Og ikke nok med det: Stoffet må spise opp nøyaktig den energien som lyset har. Dette gjøres ved at elektroner bytter orbital – eller altså flytter opp i en høyere etasje. Men hva skjer så? For at vi skal «se» sofaen eller gullstøvet så må lys flyte tilbake igjen til øynene våre. Det skjer ved at elektronene flytter ned igjen, og den energien de gir fra seg når de flytter ned bestemmer fargen på lyset vi ser. En rød sofa tar opp de fleste varianter av synlig lys, men sender tilbake en blanding av energier som øynene våre oppfatter som rødt. Gullstøv gjør det samme, og sender tilbake noe vi ser som brunt.

Metaller og metalliske bindinger

Metallisk binding av gullatomer. De ytre elektronene blir til en slags super-orbital, en felles toppetasje der man har bokollektiv i god, gammel hippie-stil.

Gull har altså egentlig ikke noen spesielt spennende farge. Magien kommer først når gullatomene binder seg sammen. Vi har sett at gull bare har en beboer i toppetasjen – ett enkelt elektron i den ytterste orbitalen. Dette (og en del andre detaljer som handler om hvor lang trappen opp til den etasjen er) gir gullatomer muligheten til å henge sammen på en spesiell måte – en såkalt metallisk binding.

Gullatomene viser seg her som noen ekte hippier. Når de kommer sammen på riktig måte så omdannes toppetasjen til et bokollektiv, der alle toppetasje-elektronene kan komme og gå som de vil. Dette gjør gull til en god elektrisk leder, og dessuten endrer det enormt på fargen til stoffet.

Stoffer som bindes slik er det vi kaller metaller, og som kjent har de fleste av dem en blank, glimrende farge. Grunnen til dette har å gjøre med hva slags lys metaller fanger opp, og hva de sender ut igjen. Se figuren til venstre (lånt herfra). Et enkelt atom kan ta opp – og dermed også sende ut – lys med energi som flytter et elektron fra den blå etasjen til den gule (til venstre på figuren). Men hvis noen få atomer binder seg sammen  på metallmåten – hippie-kollektiv-måten – så endrer energinivåene seg litt. Det blir flere av dem, og vi får både korte og lange trapper. Hvis nå mange, mange atomer binder seg sammen, som det er i en klump metall, så skjer det noe spesielt. Da får vi et helt  enormt antall etasjer øverst i høyblokken, adskilt av både korte og lange trapper, og det som før var toppetasjen i ett atom kan nå finne på å ligge lavere enn nest øverste etasje i et annet.

Forvirret? Det er elektronene i metallet også – omtrent som hippier høye på kontrollerte substanser – de vet ikke helt hvor de bor lenger. Hva skjer så når det kommer lys inn mot metallet? Metaller flest er rå på å fange opp lys siden de har så mange mulige etasjer. Uansett hvilken energi lyset har så finnes det elektron som kan flytte en passe etasje opp.

Så skjer det neste magiske. Den store mengden fri hippie-elektroner gjør at atomene gjerne vil bli kvitt energien igjen fort også, og det enkleste er å bare sende den rett tilbake igjen som lys. Lyset blir med andre ord bare reflektert, og for oss vil metallet se blankt ut. Metallisk, altså.

De aller fleste metaller er blanke og hvite, eller det vi gjerne kaller sølvfargede siden sølv har nettopp denne egenskapen.

Gull vs sølv – en relativistisk seier

Selv om begge er metaller så har gull og sølv veldig forskjellig farge. Hvorfor det, da? Det er her det virkelig blir spennende.

Et "periodesystem" for orbitalene i store og små atomer. De kan bli ganske sære i formen...

«Beveger» elektronene rundt et atom seg? I følge kvantefysikken så kan vi ikke si at de gjør det. Vi kan ikke vise noen pen «bane» som elektronene går i, men må altså heller snakke om orbitaler. Disse orbitalene er det området der det er størst sannsynlighet for at elektronet befinner seg. Men: Samtidig har hvert elektron noe som kalles spinn, eller angulærmoment på Bærum-faglig, som er den typen energi noe har hvis det går rundt. Et sykkelhjul har for eksempel mye spinn når det snurrer.

Nå kommer nok en Nobelprisvinner inn i bildet – Werner Heisenberg, som fikk prisen i 1932 for intet mindre enn «oppfinnelsen av kvantemekanikk». Hans uskarphetsrelasjon lar oss regne om fra spinn (som vi kan måle) til en effektiv hastighet for elektronet. Selv om vi ikke kan si hvor det er og hvor fort det går akkurat nå, så kan vi si hvor fort det i gjennomsnitt beveger seg.

For sølv og de fleste andre metaller gir dette en ganske ufarlig hastighet. Gull er derimot et tungt metall, og det betyr at kjernen inneholder veldig mange protoner. Disse mange protonene trekker hardt på elektronene, og gir dem mindre plass å bevege seg på. Den effektive farten øker – så mye at vi må ta hensyn til relativitetsteorien. Når elektronene beveger seg med hastigheter høyere enn omtrent ti prosent av lysfarten så blir de i praksis tyngre, og hele atomstrukturen – hele etasjesystemet i den litt Escher-aktige høyblokken metallet er – endrer seg. (Relativitetsteorien er den andre av de to revolusjonene som utgjør «moderne fysikk». Den ble utviklet av Albert Einstein tidlig på 1900-tallet – han fikk også Nobelprisen, men ikke for akkurat dette.)

Gull glimrer, sølv skimrer. Relativitetsteori og kvantefysikk i skjønn forening.

Når etasjene og trappene mellom dem nå er forandret, er også metallets evne til å ta opp og sende ut lys endret. Se figuren til venstre (igjen hentet herfra). Gull – og til en viss grad også cesium – liker å ta opp lys, men klarer ikke å reflektere alle typer energier. De fargene med høyest energi – lilla, blått, grønt – blir tatt opp men ikke sendt ut. Hva blir da igjen? Jo, gult, rødt og orange – akkurat de fargene du ville gjettet på at «gullfarge» består av.

Fargen til gull er derfor et helt spesielt fenomen, utrolig rikt på fysikk og kjemi. Kvantefysikk er nødvendig for å forstå hvordan atomene bindes og hvordan de kan ta opp og sende ut lys, relativitetsteorien trengs for å forstå forskjellen mellom gull og sølv. Hvorfor vi synes nettopp gull er et så fantastisk pent stoff, har derimot hverken gammel eller moderne fysikk noe godt svar på.

Fortsatt nysgjerrig?

Tutankhamons dødsmaske. Selve erke-eksemplet på at gull kan være vakkert, symbolsk, attraktivt og myteomspunnet.

Gulls fascinerende fargeliv stanser ikke der. Det finnes en mellomting mellom store gullbarrer og støv – såkalte nanopartikler av gull, ned til hundre nanometer i diameter.  Disse klumpene er store nok til å ha egenskapene til et metall, men små nok til å spre lys på litt uventede måter. Er du nysgjerrig på dette så ta en titt på den flotte nettsiden som ga inspirasjon til mye av denne bloggposten – her:

http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

Så: enten du nå er så heldig å ha en gullring på fingeren, en gullmedalje i skapet eller kanskje noen barrer stjålet fra Fort Knox, så kan du med et raskt blikk avgjøre om den moderne fysikken virker i dag også. Uten den vil nemlig gullet ditt se ganske annerledes ut.

2 comments

  1. Bjørn Munch · mars 11, 2012

    Så hvorfor er ikke andre tunge metaller som platina eller uran også farget? Og hvordan har det seg at kobber har enda kraftigere farge selv om det ikke er på langt nær så tungt? Det er vel de eneste metallene som har farge i ren form.

    • Bjørn H. Samset · mars 12, 2012

      Hei Bjørn,

      alt har med elektronorbitalene å gjøre – hvor langt fra hverandre de er naturlig. Kobber er et mye lettere grunnstoff som du sier – der har orbitalene et stort, naturlig sprang som tilsvarer det vi ser som orange farge (3d->4s), mens de tyngre metallene ikke har noe sånt. Det tredje farge-eksemplet jeg vet om i tillegg til gull og kobber er forøvirg osmium, som er blå-aktig. Se litt diskusjon som starter med gull og drar seg videre til kobber her:

      http://scienceforums.com/topic/16606-the-color-of-gold-and-relativity/

      Angående de tyngre så har jeg ikke noen god spesiell grunn – det er vel heller det at gull og kobber er spesielle tilfeller. Normalen er at alle energier tas opp og reflekteres ca. like bra s.a. de ser ut som speil (blanke, hvite, sølvaktige), mens for akkurat gull og kobber skjer det spesielle ting. For gull er det en relativistisk effekt, for kobber ikke.

      (Atomer er rare dyr – orbitalene er såpass sammensatte at hvert enkelt grunnstoff gjerne trenger sin egen utlegning. Dette er noe av det som gjør kjemi spennende – de er spesialister på sånt 🙂

      Bjørn

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s