沒想到吧？要用愛因斯坦的相對論，才能合理解釋為什么汞是液態(tài)的

通常情況下，金屬都是堅硬的固體，但有一種金屬卻是例外，那就是汞，汞俗稱水銀，在常溫常壓下，它們總是以液態(tài)的形式存在，那么，汞為什么會如此特殊呢？

實際上，這個問題有點復(fù)雜，因為要用愛因斯坦的相對論，才能合理解釋為什么汞是液態(tài)的，沒想到吧？下面我們就來具體了解一下。

正如我們所知，原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的，其中原子核帶正電，電子帶負電，它們靠靜電吸引維系在一起。實際上，原子的化學(xué)性質(zhì)，幾乎都是由核外電子的排布狀態(tài)決定的。

具體來講，在原子的最外側(cè)，有一些能量相對較高、與原子核結(jié)合得比較松散的電子，這被稱為價電子，當(dāng)金屬原子大量聚集在一起的時候，原子的價電子通常都會脫離原來的位置，變成整塊金屬共同擁有的自由電子。

這些自由電子在金屬晶體內(nèi)部游蕩，就像一片流動的電子海洋，于是失去價電子的原子就變成了帶正電的金屬離子，它們鑲嵌在這片電子海洋里，依靠與周圍自由電子的靜電吸引力結(jié)合在一起。

這種"正離子鑲嵌在自由電子海洋中，靠靜電力相互結(jié)合"的方式，就被稱為金屬鍵。金屬鍵的本質(zhì)是靜電吸引，自由電子越多，對正離子的吸引力就越強，金屬鍵也就越強，熔點當(dāng)然就越高。

所以金屬鍵的強弱，取決于原子到底有多愿意把價電子貢獻出來。那么問題就來了，什么樣的原子更愿意貢獻價電子呢？要回答這個問題，我們需要簡單了解一下電子排布。

核外電子的分布不是隨機的，它們只能待在一些特定的能量狀態(tài)上，這些狀態(tài)通常被稱為軌道。我們可以將其簡單地想象為成圍繞原子核的一層一層的"殼"，從內(nèi)到外依次是第1能層、第2能層、第3能層……能層越往外，電子的能量越高。

由于同一能層中的電子能量還有微小的差異，因此每個能層內(nèi)部還有更細致的劃分，這被稱為亞層，通常用字母s、p、d、f來標記。

其中s亞層最多容納2個電子，p亞層最多容納6個電子，d亞層最多容納10個電子，f亞層最多容納14個電子。

電子填充這些亞層的順序，遵循能量最低原理，也就是說，電子總是優(yōu)先占據(jù)能量最低的空位，其順序如下圖所示。

根據(jù)量子力學(xué)，全滿的亞層具有特殊的穩(wěn)定性，而電子則會強烈趨向于這種穩(wěn)定性，一旦全滿，它們就不會輕易離開。

由于過渡金屬的外層電子大部分都有未填滿的d亞層，更容易貢獻出價電子，所以它們中大多數(shù)的金屬鍵都很強，從而在常溫常壓下表現(xiàn)為固態(tài)。

但汞原子卻是個例外，因為它們外層電子中的d亞層和s亞層全部填滿了（即5d1?6s2），在這樣的情況下，其電子結(jié)構(gòu)處于很穩(wěn)定的狀態(tài)，所以它們極不愿意貢獻價電子，如此一來，就造成了其金屬鍵非常弱，熔點也因此變得很低。

講到這里，肯定有人會問了，既然如此，問題就已經(jīng)解決了，那為什么要扯到相對論呢？我們接著看。

在元素周期表中，30號元素鋅和48號元素鎘，它們都與汞一樣是第12族元素，其外層電子中的d亞層和s亞層也全部填滿了（鋅是3d1?4s2，鎘是4d1?5s2），所以它們的熔點也應(yīng)該很低，那事實是否真是這樣呢？

來看一組數(shù)據(jù)：鋅的熔點約為419.5攝氏度，鎘約為321.1攝氏度，汞約為零下38.8攝氏度。

從中可以看到，盡管鋅和鎘熔點確實明顯低于很多常見的金屬，但相比之下，汞的熔點實在是太低了（從鋅到鎘降了近100度，這還算正常，但從鎘到汞，卻陡然跌了近360度）。

那么問題就來了，同樣的電子構(gòu)型，為什么汞的熔點會比鎘低如此之多？事實上，光靠上述的理論，根本就無法合理解釋這種斷崖式的下跌，這個時候，就需要愛因斯坦的相對論出馬了。

根據(jù)狹義相對論，一個物體的運動速度越快，其質(zhì)量越大，具體點講就是，一個靜止質(zhì)量為m?的粒子，當(dāng)它以速度v運動時，其相對論質(zhì)量為：

m = m? / √(1 - v2/c2)

這個分母里的 √(1 - v2/c2) 就是所謂的洛倫茲因子的倒數(shù)，通常寫作1/γ，其中γ = 1 / √(1 - v2/c2)。當(dāng)速度遠小于光速時，γ≈1，質(zhì)量幾乎不變，相對論效應(yīng)可以忽略，但當(dāng)速度接近光速時，γ會急劇增大，其質(zhì)量也會隨之急劇增大。

原子核內(nèi)的質(zhì)子帶正電，核外電子帶負電，兩者之間有靜電吸引力，電子繞核運動，有點像月亮繞地球，需要一個向心力，這個向心力正是由靜電吸引力提供的，所以質(zhì)子越多，靜電吸引力越強，電子被拉得越緊，繞核速度就越快。

對于輕元素來說，這個速度還遠不足以引發(fā)明顯的相對論效應(yīng)，比如說氫原子只有1個質(zhì)子，1s電子的軌道速度大約是光速的0.7%，γ≈1.000025，質(zhì)量增加可以忽略不計。

但隨著原子序數(shù)增大，情況卻會發(fā)生變化。

汞是80號元素，其原子核內(nèi)有80個質(zhì)子，這些質(zhì)子產(chǎn)生的強大正電場，把6s亞層的電子加速到了大約光速的58%，此時γ = 1 / √(1 - 0.582) ≈ 1.23，也就是說電子的相對論質(zhì)量比靜止質(zhì)量增加了約23%。

23%當(dāng)然不是一個可以忽略的數(shù)字，所以汞的6s電子，就會因為相對論效應(yīng)導(dǎo)致其軌道半徑明顯收縮，我們可以將其簡單地理解為，這是因為原子軌道的半徑與電子的質(zhì)量密切相關(guān)，電子的質(zhì)量越大，它在軌道上的運動越“笨重”，其軌道半徑就越小。

隨著這些電子向內(nèi)靠近，整個電子殼層也隨之向原子核收緊，如此一來，就使得電子與核之間的束縛更加緊密，也正是因為這種緊密的束縛，汞原子的外層電子就幾乎無法脫離出來形成自由電子，也就極難形成穩(wěn)固的金屬鍵。

所以在常溫常壓下，汞原子基本上就只能依靠微弱的范德華力來結(jié)合，彼此之間只需要很小的能量就能滑動，并因此呈現(xiàn)為液態(tài)。

可以看到，在引入了相對論之后，對于從鎘到汞的熔點為什么會斷崖式的下跌這個問題，就有了一個合理的解釋，那就是：鎘的原子序數(shù)只有48，相對論效應(yīng)沒有大到足以導(dǎo)致這種明顯的變化。

值得一提的是，時至今日，這個解釋已經(jīng)在實驗中得到了一定程度的驗證，科學(xué)界也對此普遍認同。