L'or (Au, Z = 79) et l'argent (Ag, Z = 47) sont les deux métaux nobles classiques, voisins immédiats dans la 11ᵉ colonne du tableau périodique. Ils ont la même configuration de valence : (n−1)d¹⁰ ns¹. Ils partagent le même type de réseau cristallin, la même malléabilité, des propriétés chimiques très proches. Pourtant, l'un est gris argenté et l'autre jaune doré. La différence de couleur cache une physique fascinante.
La couleur des métaux : ce que nos yeux voient
Quand un faisceau de lumière blanche frappe un métal, il interagit avec les électrons libres de surface. La quasi-totalité de la lumière est réfléchie — c'est ce qui fait qu'un métal poli est miroir. Mais la réflexion n'est pas parfaitement uniforme à toutes les longueurs d'onde : si une partie du spectre est absorbée, le métal apparaît coloré dans la couleur complémentaire.
Pour la majorité des métaux (fer, aluminium, argent…), l'absorption se situe dans l'ultraviolet — invisible à l'œil. La lumière visible est donc réfléchie uniformément, et le métal apparaît gris à blanc argenté. C'est le cas de l'argent.
Pour l'or, c'est différent. L'or absorbe le bleu (autour de 400-520 nm) et réfléchit principalement le rouge et le jaune. Sa couleur résulte de cette absorption sélective.
La transition électronique impliquée
Dans le cas de l'or, l'absorption à ~520 nm correspond à une transition 5d → 6s. Un électron de la sous-couche 5d remplie est excité vers la 6s, qui est partiellement disponible (rappel : 5d¹⁰ 6s¹). Cette transition impose une énergie de photon égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux.
Pour l'argent, la transition équivalente est 4d → 5s. Mais l'écart d'énergie est plus grand chez l'argent que chez l'or : l'absorption tombe dans l'ultraviolet (~310 nm), invisible. C'est pour cela que l'argent paraît gris.
La question devient donc : pourquoi l'écart 5d-6s chez l'or est-il plus petit que l'écart 4d-5s chez l'argent ? Logiquement, des couches plus hautes (n = 5 et 6) devraient être plus proches en énergie que des couches basses (n = 4 et 5)... oui, mais l'effet est trop marqué pour être expliqué par la seule mécanique quantique non-relativiste.
Encore le relativisme
Dans l'or, les électrons de cœur atteignent ~58 % de la vitesse de la lumière. La correction relativiste qui en résulte :
1. Contracte la 6s (et la stabilise) — comme dans le cas du mercure. 2. Déstabilise la 5d — par effet d'écran inversé : les électrons 5d, indirectement « écrantés » par la 6s contractée, voient un potentiel effectif moins attractif et leur énergie remonte.
Le double effet — 6s qui descend, 5d qui monte — réduit l'écart 5d-6s. Chez l'argent (Z = 47), les électrons internes ne dépassent guère 30 % de c, et ces effets sont dix fois plus faibles. L'écart 4d-5s reste large, l'absorption reste UV, l'argent reste gris.
Ordre de grandeur
Sans correction relativiste, le calcul ab initio donne pour l'or une absorption autour de 320 nm (UV) — l'or « non-relativiste » serait gris comme l'argent. Avec relativisme, on retrouve les ~520 nm observés. La différence de couleur entre les deux éléments est, à elle seule, une mesure spectroscopique de la relativité restreinte à l'œuvre dans la matière atomique.
Cousins du même clan
D'autres anomalies du même groupe (Cu, Au, Hg) trouvent leur origine dans le même effet :
- Le cuivre est rouge : pas exactement de la relativité (Z trop petit), mais une absorption d-s due à la structure électronique 3d¹⁰ 4s¹.
- Le mercure est liquide : 6s² verrouillée par contraction relativiste (cf. notre article dédié).
- Le plomb passe en + 2 plutôt que + 4 (« inertie de la paire 6s ») : la contraction de 6s rend cette paire moins disponible pour la liaison covalente.
L'or jaune est donc plus qu'un détail esthétique : c'est la signature visible d'une physique fondamentale dans un objet ordinaire que l'humanité manipule depuis l'âge du bronze. Quand vous regardez une bague en or, vous voyez la relativité d'Einstein à l'œuvre — au sens littéral.