2液態(tài)
原子中,電子在核的一旁飛快地運動.在核電荷數(shù)很大的原子即重原子中,強(qiáng)大的核電荷役使內(nèi)層電子運動速度快到堪與光速相比,相對論效應(yīng)影響隨即而生.不過,由于原子、分子的化學(xué)性質(zhì)主要由價電子決定,以致直到1970 年之前人們還普遍認(rèn)為相對論純屬于物理界的事,同化學(xué)沒什么關(guān)系.
70 年代末,出現(xiàn)了超級計算機(jī),含相對論效應(yīng)的量子化學(xué)計算方法頓作勁疾發(fā)展.從此相對論同化學(xué)之間的直接聯(lián)系得以洞識,人們的看法也為之一改.本文所介紹的一些研究結(jié)果旨在表明:相對論效應(yīng)對重原子以及含重原子的分子、原子簇的化學(xué)、光譜性質(zhì)具有實質(zhì)影響.
相對論效應(yīng)源自重原子內(nèi)層電子的運動速度.當(dāng)內(nèi)層s 電子的運動速度達(dá)到堪與光速相比的程度時,根據(jù)Einstein 相對論公式,電子的質(zhì)量會相應(yīng)增加并引起內(nèi)層電子軌道收縮.
例如:金的1s 電子的運動速度達(dá)到了光速的65%.相對論效應(yīng)造成1s 軌道的收縮同時致使外層的6s 軌道也發(fā)生收縮并趨于穩(wěn)定.正是由于6s 軌道的收縮及穩(wěn)定化使得金的5d 同6s 之間的能帶間隙變狹到僅為214eV ,而銀的4d 同5s 的能帶間隙卻高達(dá)315eV .于是,金在可見光范圍內(nèi)吸收蘭光,閃爍出黃燦燦的金色.這迥異于一般金屬的金黃色正是相對論效應(yīng)造成6s 軌道收縮從而對金的顏色起了重要影響的反映.
表現(xiàn)出相對論效應(yīng)影響的另一例子是汞的狀態(tài).作為金屬的汞在常溫下卻離奇地以液態(tài)存在.
上述的相對論收縮效應(yīng)理論能為這一不尋常的現(xiàn)象提供解釋.與金相仿,汞的6s 軌道在收縮的同時并趨于穩(wěn)定化導(dǎo)致了一種稱之為“惰性對”效應(yīng):汞的6s2 殼層在成鍵過程中呈現(xiàn)惰性.可以看到汞的6s26p激發(fā)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鎘和鋅的相應(yīng)激發(fā)能.按照一般周期規(guī)律,能量間隔(n s2) 1S- (n s1np 1) 1P 應(yīng)隨主量子數(shù)增加而減小.
所以,由鋅到鎘能量間隔變小原在預(yù)料之中.然而由鎘到汞該能量間隔一反而陡然增加.
這里可以再次看到正是相對論收縮效應(yīng)致使全滿的6s2 殼層安然穩(wěn)定,于是汞的6s26p 能量間隔驟增.只要得不到所需的激發(fā)能,具有惰性6s2 殼層的汞原子之間就無法形成強(qiáng)鍵.基態(tài)Hg2 僅靠van der Waal力相互維系,所以金屬汞在常溫下呈液態(tài).