Il motivo del colore giallo brillante dell'oro è la sua struttura atomica, in cui predominano fenomeni relativistici insolitamente intensi, che sono stati previsti per via teorica con precisione senza precedenti da un articolo pubblicato su “Physical Review Letters” da Peter Schwerdtfeger e colleghi della Massey University di Auckland, in Nuova Zelanda.L'equazione fondamentale che definisce l'evoluzione temporale di un sistema microscopico, in cui prevale la meccanica quantistica, è l'equazione di Schrödinger. Questa equazione può essere risolta con metodi approssimati, assumendo cioè alcune ipotesi utili a semplificare il sistema fisico da studiare.Le soluzioni trovate con questo approccio funzionano piuttosto bene quando il sistema è di per sé abbastanza semplice: per esempio, nel caso di un atomo con pochi elettroni si può trascurare l'interazione tra di essi.
Via via che il numero di elettroni aumenta, però, l'interazione fra di essi è sempre più importante, e il comportamento reale dell'atomo, per esempio l'energia degli orbitali elettronici, si allontana sempre più da quello definito dalle soluzioni approssimate. Nel caso dell'atomo di oro, che ha 79 elettroni, entrano in gioco numerosi altri fattori, come gli effetti relativistici.Gli effetti relativistici in questo caso rendono il salto energetico tra l'orbitale 5d e l'orbitale 6s più piccolo di quanto ci si aspetterebbe. Ed è proprio questo a far sì che l'oro assorba le frequenze della luce visibile verso il blu e rifletta invece le frequenze verso il giallo.I fisici teorici hanno cercato a lungo di risolvere le discrepanze tra soluzioni approssimate delle equazioni e osservazioni sperimentali, ma con successi parziali.Tenendo conto dell'interazione tra terne di elettroni, per esempio, l'energia di ionizzazione, cioè l'energia necessaria per rimuovere un elettrone, e l'affinità elettronica, l'energia rilasciata per aggiungere un elettrone, sono ancora sottostimate rispetto ai valori sperimentali di decine di millielettronvolt.Estendendo i calcoli fino alle interazioni tra cinque elettroni e tenendo conto anche degli effetti relativistici e di altri fenomeni descritti dall'elettrodinamica quantistica, il gruppo di Schwerdtfeger ha ora trovato soluzioni di un livello di precisione senza precedenti, riducendo la discrepanza tra valori previsti teoricamente e valori sperimentali dell'energia di ionizzazione e dell'affinità elettronica fino a pochi millisecondi, con un miglioramento di fattore 10 rispetto a precedenti risultati.
