本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
20世纪科学的伟大时刻之一是保罗·狄拉克将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论相结合，产生了相对论量子力学。狄拉克的理论做了很多事情 - 预测了电子自旋和正电子，分析了原子碰撞，启动了量子电动力学的革命 - 但它也对化学产生了非常重要的影响。然而，这些影响在几十年后才为人所知，因为事实证明，要解决化学中的大多数问题，可以忽略相对论效应。弄清楚化学键、预测分子的热力学性质和化学反应的速率、理解蛋白质结合的分子胶；所有这些问题都可以通过计算来解决，而无需化学家担心相对论。
只有一个问题除外。它涉及到自古以来每个孩子都会问的一个问题：为什么汞在室温下是液态的？汞——唯一具有这种性质的金属——几个世纪以来一直迷惑和吸引着人们；一种闪闪发光的物质，以稳重的重力流动，支撑硬币的重量，神奇地溶解其他金属，并抵抗一切试图将其舀起的尝试。一种当在温度计内部校准时可以帮助健康，当它在活组织中积累时可以杀死的物质。但汞的唯一特性，对任何对其略有了解的人来说都是显而易见的，那就是它的液态性质。
为什么会这样呢？事实证明，科学中简单的观察有时可以有复杂但非常有趣的解释，这是一个例子。幸运的是，问题的症结很简单，并且在最近发表在Angewandte Chemie杂志上的一篇论文中得到了最完整和令人满意的处理。但首先让我们回到基础知识。汞是一种金属，这意味着它位于元素周期表的中间，与其他金属如金、锌和镉一起。事实上，它与锌和镉在同一族中，但它们却截然不同。锌和镉在室温下不是液态，它们的结晶形式与汞不同。此外，汞就在金的旁边，但它们的性质却截然不同。
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回忆一下大学化学知识，原子轨道有不同的类型；s、p、d 和 f 轨道由不同的量子数和不同的“形状”区分。金属的特征是 d 轨道被显着占据。此外，填充的轨道意味着特殊的稳定性。汞与其邻居的区别在于它具有填充的最外层 6s 原子轨道。这意味着轨道中的电子彼此高兴地配对，并且不愿意在相邻的汞原子之间共享。相对论理论的介入在于解释汞中电子质量和原子半径的细微变化，尽管如此，这些变化对金属的物理性质产生了深远的影响。
根据狭义相对论，当物体的速度接近光速时，其表观质量会增加。从尼尔斯·玻尔的原子结构理论中我们知道，电子的速度与元素的原子序数成正比。对于氢（原子序数为 1）等轻元素，速度与光速相比微不足道，因此基本上可以忽略相对论。但是对于汞的 1s 电子（原子序数为 80），这种效应变得显着；电子接近光速的约 58%，其质量增加到其静止质量的 1.23 倍。相对论已经发挥作用。由于玻尔理论（确切地说是轨道）中电子轨道的半径与质量成反比，因此这种质量增加导致轨道半径减少 23%。这种收缩产生了巨大的差异，因为它导致原子核和电子之间更强的吸引力，并且这种效应也转化为最外层的 6s 轨道以及其他轨道。更弥散的 d 和 f 轨道对 s 电子的屏蔽不足，加剧了这种效应。结合 6s 轨道的填充性质，相对论收缩使汞确实非常不愿意共享其最外层的电子并与其他汞原子形成强键。
因此，小团簇中汞原子之间的结合主要来自弱的范德华力，这种力来自相邻原子中的局部电荷波动，而不是电子的共享。但这一切都只是推测；有人必须进行严格的计算，相对论地处理元素中的每个电子并计算相关性质。在这种情况下，相关性质是物质的热容量，它在相变期间会发生显着变化，例如从固体到液体。问题很简单：使用最先进的计算方法，您能否预测汞的熔点，如热容量的突然变化所示？在本月发表在Angewandte Chemie上的一篇论文中，来自新西兰、德国和法国的化学家提供了一个迄今为止最完整的结果。他们实际上使用量子分子动力学模拟了汞的熔化，求解薛定谔方程，从量子力学计算力和速度，并允许原子团随机采样不同的几何方向。他们首先通过排除相对论，然后通过包含相对论进行计算，结果是明确的；当考虑相对论效应时，汞的熔点从 355 开尔文降至 250 开尔文，与实验结果非常吻合，并伴随着热容量的突然变化。
汞的液态性质并非狭义相对论唯一解释的事情。它还解释了为什么黄金是黄色的，而白银是白色的。在这种情况下，轨道的裂分和 6s 轨道的较低能量导致金吸收蓝光并发出黄光和红光。由于 6s 能级在银中较高，因此激发电子所需的能量对应于紫外线区域而不是可见光区域；因此，银看起来没有任何来自可见光谱区域的颜色。
当我看到这样的研究时，我总是感到一丝欣慰。没有什么比成功地应用我们最珍视和准确的理论来解释生活中最平凡却又最迷人的现象更令人满意的了。这就是科学的意义所在。
参考文献
1. 汞由于相对论导致的低温熔化的证据；F. Calvo 等人。Angew. Chem. Intl. Ed. Engl. 2013, 10.1002/anie.201302742
2. 为什么汞是液态的？L. Norrby, J. Chem. Ed. 1991, p. 110。
3. 化学中的相对论效应，D. McKelvey，J. Chem. Ed.1983, p. 112