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Einsteins Glanz

Woher das Gold seinen besonderen Schimmer bekommt

Der Glanz reinen Goldes ist unverwechselbar: Kein anderes Metall schimmert in einem vergleichbar gelblichen Ton. Wegen seiner Farbe galt Gold in vielen frühen Kulturen als Abbild der Sonne und als göttliche Substanz. Der Goldglanz war so begehrt, dass es sogar schon in der Bronzezeit Bemühungen gab, aus Legierungen anderer Metalle Falsch-Gold herzustellen.

Wie bei anderen Metallen sind die Außenelektronen im Gold delokalisiert und frei beweglich. © gemeinfrei

Ein See aus Elektronen

Was aber verleiht dem Gold diesen einzigartigen Glanz? Das typisch metallische Schimmern verdankt das Element seinen Elektronen. Wie bei Eisen, Silber und anderen Metallen sind die Außenelektronen des Goldes nicht fest an ihr Atom gebunden, sondern delokalisiert – sie bilden eine Art „See aus Elektronen“. Trifft nun Licht auf die Oberfläche des Metalls, regt seine Energie diese Elektronen zum Schwingen an und sie reflektieren die auftreffenden Photonen, ohne dass diese weit in das Kristallgitter eindringen.

Weil die beweglichen Metallelektronen dabei nahezu alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts gleich gut reflektieren, erscheint die Metalloberfläche silbrig glänzend. Silber, Eisen, aber auch Platin und andere Metalle verdanken diesem Effekt ihren Glanz. Anders jedoch das Gold: Bei diesem Metall schimmert die Oberfläche nicht silbrig, sondern gelblich – eben typisch golden.

Effekte der Relativität

Dahinter steckt eine Besonderheit des Goldes – und die hängt eng mit Einsteins Relativitätstheorie zusammen. Das Element Gold besitzt 79 Protonen im Kern und gehört damit zu den schwersten stabilen Atomen im Periodensystem. Das hat auch Folgen für die Elektronen in der Hülle: Sie müssen besonders schnell kreisen, um nicht von der starken positiven Ladung in den Kern gezogen zu werden. Im Falle des Goldes erreichen die Elektronen dabei sogar mehr als die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit.

Relativistische Effekte verändern das Verhalten der Goldelektronen © RonTech2000/ iStock

Das aber bedeutet, dass in der Atomhülle des Goldes relativistische Effekte auftreten, wie sie schon Albert Einstein postulierte. Die hohe Geschwindigkeit erhöht Masse und Energie der Elektronen. Kombiniert mit der hohen Kernladung verändert dies die Geometrie der Elektronenorbitale. Die inneren weiten sich, die äußeren werden enger an den Kern gezogen. Das Goldatom samt Hülle ist dadurch nur halb so groß wie ein Cäsiumatom, obwohl es doppelt so schwer ist.

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Verschlucktes Blau

Und genau hier liegt der Grund für den besonderen gelblichen Glanz des Goldes: Durch die relativistischen Effekte verringert sich beim Goldatom der energetische Abstand des äußersten, fast leeren Elektronenorbitals (6s) zum nächstinneren, voll gefüllten 5d-Orbital. Um von der 5d in die 6s-Schale zu springen, benötigt ein Elektron dank dieses Effekts nur genau die Energie, die einem Photon aus dem blauen Wellenbereich des Lichts entspricht.

Trifft nun Licht auf die Goldoberfläche, absorbiert diese den blauen Anteil des Lichts, wirft aber die restlichen Wellenlängen zurück. Dieses Restlicht nehmen wir als orange-gelblich wahr – das Metall schimmert im typischen Goldglanz.

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Nadja Podbregar
Stand: 27.04.2018

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Gold – das geheimnisvolle Element
Warum das edelste aller Metalle so ungewöhnlich ist

Blei zu Gold
Auf den Spuren der Alchemisten

Einsteins Glanz
Woher das Gold seinen besonderen Schimmer bekommt

Voller "Eigenliebe"
Warum Gold so beständig ist

Kosmische Geburt
Wie das Element Gold entstand

Das Rätsel der Lagerstätten
Wie hat sich das Gold im Untergrund angereichert?

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