本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
20世紀科學的偉大時刻之一是保羅·狄拉克將量子力學與愛因斯坦的狹義相對論相結合，產生了相對論量子力學。狄拉克的理論做了很多事情 - 預測了電子自旋和正電子，分析了原子碰撞，啟動了量子電動力學的革命 - 但它也對化學產生了非常重要的影響。然而，這些影響在幾十年後才為人所知，因為事實證明，要解決化學中的大多數問題，可以忽略相對論效應。弄清楚化學鍵、預測分子的熱力學性質和化學反應的速率、理解蛋白質結合的分子膠；所有這些問題都可以透過計算來解決，而無需化學家擔心相對論。
只有一個問題除外。它涉及到自古以來每個孩子都會問的一個問題：為什麼汞在室溫下是液態的？汞——唯一具有這種性質的金屬——幾個世紀以來一直迷惑和吸引著人們；一種閃閃發光的物質，以穩重的重力流動，支撐硬幣的重量，神奇地溶解其他金屬，並抵抗一切試圖將其舀起的嘗試。一種當在溫度計內部校準時可以幫助健康，當它在活組織中積累時可以殺死的物質。但汞的唯一特性，對任何對其略有了解的人來說都是顯而易見的，那就是它的液態性質。
為什麼會這樣呢？事實證明，科學中簡單的觀察有時可以有複雜但非常有趣的解釋，這是一個例子。幸運的是，問題的癥結很簡單，並且在最近發表在Angewandte Chemie雜誌上的一篇論文中得到了最完整和令人滿意的處理。但首先讓我們回到基礎知識。汞是一種金屬，這意味著它位於元素週期表的中間，與其他金屬如金、鋅和鎘一起。事實上，它與鋅和鎘在同一族中，但它們卻截然不同。鋅和鎘在室溫下不是液態，它們的結晶形式與汞不同。此外，汞就在金的旁邊，但它們的性質卻截然不同。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
回憶一下大學化學知識，原子軌道有不同的型別；s、p、d 和 f 軌道由不同的量子數和不同的“形狀”區分。金屬的特徵是 d 軌道被顯著佔據。此外，填充的軌道意味著特殊的穩定性。汞與其鄰居的區別在於它具有填充的最外層 6s 原子軌道。這意味著軌道中的電子彼此高興地配對，並且不願意在相鄰的汞原子之間共享。相對論理論的介入在於解釋汞中電子質量和原子半徑的細微變化，儘管如此，這些變化對金屬的物理性質產生了深遠的影響。
根據狹義相對論，當物體的速度接近光速時，其表觀質量會增加。從尼爾斯·玻爾的原子結構理論中我們知道，電子的速度與元素的原子序數成正比。對於氫（原子序數為 1）等輕元素，速度與光速相比微不足道，因此基本上可以忽略相對論。但是對於汞的 1s 電子（原子序數為 80），這種效應變得顯著；電子接近光速的約 58%，其質量增加到其靜止質量的 1.23 倍。相對論已經發揮作用。由於玻爾理論（確切地說是軌道）中電子軌道的半徑與質量成反比，因此這種質量增加導致軌道半徑減少 23%。這種收縮產生了巨大的差異，因為它導致原子核和電子之間更強的吸引力，並且這種效應也轉化為最外層的 6s 軌道以及其他軌道。更彌散的 d 和 f 軌道對 s 電子的遮蔽不足，加劇了這種效應。結合 6s 軌道的填充性質，相對論收縮使汞確實非常不願意共享其最外層的電子並與其他汞原子形成強鍵。
因此，小團簇中汞原子之間的結合主要來自弱的範德華力，這種力來自相鄰原子中的區域性電荷波動，而不是電子的共享。但這一切都只是推測；有人必須進行嚴格的計算，相對論地處理元素中的每個電子並計算相關性質。在這種情況下，相關性質是物質的熱容量，它在相變期間會發生顯著變化，例如從固體到液體。問題很簡單：使用最先進的計算方法，您能否預測汞的熔點，如熱容量的突然變化所示？在本月發表在Angewandte Chemie上的一篇論文中，來自紐西蘭、德國和法國的化學家提供了一個迄今為止最完整的結果。他們實際上使用量子分子動力學模擬了汞的熔化，求解薛定諤方程，從量子力學計算力和速度，並允許原子團隨機取樣不同的幾何方向。他們首先透過排除相對論，然後透過包含相對論進行計算，結果是明確的；當考慮相對論效應時，汞的熔點從 355 開爾文降至 250 開爾文，與實驗結果非常吻合，並伴隨著熱容量的突然變化。
汞的液態性質並非狹義相對論唯一解釋的事情。它還解釋了為什麼黃金是黃色的，而白銀是白色的。在這種情況下，軌道的裂分和 6s 軌道的較低能量導致金吸收藍光併發出黃光和紅光。由於 6s 能級在銀中較高，因此激發電子所需的能量對應於紫外線區域而不是可見光區域；因此，銀看起來沒有任何來自可見光譜區域的顏色。
當我看到這樣的研究時，我總是感到一絲欣慰。沒有什麼比成功地應用我們最珍視和準確的理論來解釋生活中最平凡卻又最迷人的現象更令人滿意的了。這就是科學的意義所在。
參考文獻
1. 汞由於相對論導致的低溫熔化的證據；F. Calvo 等人。Angew. Chem. Intl. Ed. Engl. 2013, 10.1002/anie.201302742
2. 為什麼汞是液態的？L. Norrby, J. Chem. Ed. 1991, p. 110。
3. 化學中的相對論效應，D. McKelvey，J. Chem. Ed.1983, p. 112