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【狭义相对论如何创造黄金色泽】
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物体之所以有颜色 ， 是因为它们的电子与某些波长的光共振最强 ， 它们吸收这些波长的光并将所有其他波长反射回我们的眼睛 。 大多数金属电子与紫外线的共振最为强烈 ， 因此它们平等地反射所有波长的可见光 ， 这使它们呈现出银色 。 但黄金与众不同 ， 它呈现出的却是高贵的金色 ， 为了解释黄金与其他金属的区别 ， 我们需要应用狭义相对论 。
根据爱因斯坦的狭义相对论 ， 当一个物体速度越快 ， 它的质量会变得越来越大 。 像氢这样只有一个质子和一个电子的轻原子中 ， 静电力很弱 ， 因此电子绕原子核运行的速度非常慢 。 但金的原子核中有79个质子 ， 因此电子会受到巨大的静电吸引 。 为了避免与原子核碰撞 ， 最里面的电子需要以光速一半的速度行进 。 当物体的速度变得如此之快时 ， 相对论效应变得至关重要：电子质量增加约20% ， 这对电子轨道的原子半径有直接影响：轨道半径减小 。
到目前为止 ， 我们一直在使用原子的玻尔模型 ， 该模型假设电子围绕原子核运行 ， 就像行星围绕太阳运行一样 。 但要追根究底 ， 我们需要使用更准确但更复杂的量子模型 。 该模型用概率云取代了轨道电子 ， 概率云显示了电子最有可能出现的位置 。
离原子核最近的电子在1s轨道上 ， 下一个轨道是2s轨道 ， 总而言之它有六个s轨道 ， 它们都是球状的 。 但并非所有电子轨道都是球体 ， 其他轨道：如p轨道看起来像两个气球 ， 而d和f轨道看起来更奇怪 。
如果你仔细观察s轨道 ， 你会发现概率分布并不是平均分布的 。电子有可能更靠近原子核 ， 因为它们喜欢处于较低的能量状态 。 最有可能找到电子的区域称为概率峰 ， 所有s轨道的概率峰都非常靠近原子核 。 正如我们前面讨论的那样 ， 靠近原子核意味着电子以超高速运动 ， 这意味着金原子的所有六个s轨道都相对论收缩 。
但是d轨道的概率峰值离原子核更远 。 因为它们感觉不到强大的吸引力 ， 所以它们不会达到很高的速度 ， 所以它们不受这种相对论收缩的影响 。 更重要的是 ， 随着s轨道中的电子与原子核的结合更加紧密 ， 它们还起到了一种静电屏蔽的作用 。 因此更远的d轨道中的电子感受到来自原子核的更弱的力 ， 并使半径进一步扩展 。
在这个量子模型中 ， 波长的吸收也发生在轨道之间 。 大多数金属在紫外光谱中具有峰值吸收波长 ， 这意味着它们会反射所有可见光 。 对于金 ， 这种吸收发生在5d和6s轨道之间 。 5d轨道上的电子会吸收一定波长的光子并跳到6s轨道上 。 如果不考虑相对论 ， 从 5d 轨道跳到 6s 轨道所需的能量将对应于紫外线光谱中的频率 ， 就像其他金属一样 。但是由于相对论效应 ， 6s和5d轨道靠得更近了 ， 科学家测得它对应于蓝光和紫光的频率 。
吸收蓝光和紫光并反射其余可见光 ， 黄金就呈现高贵的黄色 。 为什么其他更重金属（如汞和铅）没有发生这种情况 ， 是因为它们的峰值吸收波长不在金发姑娘区 。
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