汞，又稱為水銀，是一種非常特別的金屬。大多數(shù)金屬在常溫下都是固態(tài)，但汞卻是液態(tài)。這是為什么呢？答案在于汞原子的電子結(jié)構(gòu)。

汞的原子序數(shù)是80，它的原子核里有80個(gè)質(zhì)子，而它的核外電子也是80個(gè)。這些電子是按照一定的規(guī)律排布在不同的軌道上的，我們可以用四個(gè)量子數(shù)來標(biāo)記每個(gè)電子的狀態(tài)。這四個(gè)量子數(shù)分別是主量子數(shù)n，角量子數(shù)l，磁量子數(shù)m和自旋量子數(shù)s。

主量子數(shù)n表示電子所在的軌道層，角量子數(shù)l表示電子所在的軌道亞層，磁量子數(shù)m表示電子在軌道亞層中的方向，自旋量子數(shù)s表示電子的自旋方向。每個(gè)軌道亞層都有一個(gè)特定的字母來表示，比如s,p,d,f等。每個(gè)軌道亞層可以容納的電子數(shù)是2(2l 1)，比如s軌道亞層可以容納2個(gè)電子，p軌道亞層可以容納6個(gè)電子，d軌道亞層可以容納10個(gè)電子，f軌道亞層可以容納14個(gè)電子。

根據(jù)量子力學(xué)的一個(gè)重要原理——泡利不相容原理，一個(gè)原子中不能有兩個(gè)電子的四個(gè)量子數(shù)完全相同，也就是說，每個(gè)電子都要有一個(gè)獨(dú)一無二的狀態(tài)。這樣，電子就會(huì)按照一定的順序填充在不同的軌道亞層上，從低能級(jí)到高能級(jí)。我們可以用一個(gè)簡單的符號(hào)來表示電子的排布，比如，1s2表示第一層的s軌道亞層上有兩個(gè)電子，2s2 2p6表示第二層的s軌道亞層和p軌道亞層上各有兩個(gè)和六個(gè)電子，以此類推。

這樣，我們就可以寫出汞的電子排布是[Xe] 4f14 5d10 6s2，其中[Xe]表示氙氣的電子排布，也就是前面的54個(gè)電子，后面的26個(gè)電子是汞特有的。我們可以看到，汞的最外層只有兩個(gè)電子，這兩個(gè)電子都在6s軌道亞層上，這個(gè)軌道亞層是滿的，也就是說這兩個(gè)電子的狀態(tài)是最穩(wěn)定的，不容易被激發(fā)或者轉(zhuǎn)移。

那么，這和汞的液態(tài)有什么關(guān)系呢？我們知道，金屬的特性是由于金屬原子之間的金屬鍵造成的，金屬鍵是一種共享電子的化學(xué)鍵，也就是金屬原子之間會(huì)把自己的外層電子共享給其他原子，形成一個(gè)共有的電子云。這個(gè)電子云可以自由移動(dòng)，使得金屬具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性質(zhì)，也使得金屬原子之間有很強(qiáng)的吸引力，形成緊密的晶格結(jié)構(gòu)，使得金屬具有高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。

但是，如果一個(gè)金屬原子的外層電子很穩(wěn)定，不愿意和其他原子共享，那么它就不會(huì)形成很強(qiáng)的金屬鍵，也就不會(huì)形成緊密的晶格結(jié)構(gòu)，也就不會(huì)有很高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。這就是汞的情況，它的外層電子是6s2，是滿的，很穩(wěn)定，不愿意和其他原子共享，所以它的金屬鍵很弱，它的晶格結(jié)構(gòu)很松散，它的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很低。

但是，這還沒有完，我們還沒有用到狹義相對(duì)論呢。狹義相對(duì)論是愛因斯坦提出的一種描述高速運(yùn)動(dòng)物體的理論，它告訴我們，當(dāng)一個(gè)物體的速度接近光速的時(shí)候，它的時(shí)間、空間、質(zhì)量、能量等都會(huì)發(fā)生變化，這些變化是我們在日常生活中不容易觀察到的，但卻是非常重要的。

相對(duì)論的一個(gè)重要結(jié)果是，當(dāng)一個(gè)物體的速度越快，它的質(zhì)量就越大。這個(gè)結(jié)果對(duì)于原子中的電子來說，是非常重要的，因?yàn)樵又械碾娮拥乃俣仁欠浅？斓模械纳踔两咏馑伲运鼈兊馁|(zhì)量會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)而增大，這會(huì)影響它們的運(yùn)動(dòng)軌跡和能級(jí)。(www.Ws46.com)

我們回到汞的例子，我們說過，汞的原子核里有80個(gè)質(zhì)子，這是一個(gè)非常大的原子核，它對(duì)核外電子有非常強(qiáng)的靜電吸引力，這使得核外電子必須以非常高的速度運(yùn)動(dòng)，才能不被原子核吸收。特別是最內(nèi)層的電子，它們的速度是最快的，有的甚至達(dá)到了光速的58%，這就使得它們的質(zhì)量因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)而增大了約15%，這又使得它們的軌道半徑因?yàn)閼T性效應(yīng)而縮小了約25%。這就是相對(duì)論壓縮的效果，它使得汞的最內(nèi)層電子的軌道半徑比正常情況下要小很多。這樣，最內(nèi)層電子就更靠近原子核，也就更穩(wěn)定，也就更難被激發(fā)或者轉(zhuǎn)移。

那么，這又和汞的液態(tài)有什么關(guān)系呢？我們知道，原子中的電子是按照一定的規(guī)律排布的，每一層的電子都會(huì)受到下一層電子的屏蔽效應(yīng)，也就是說下一層電子會(huì)抵消一部分原子核對(duì)上一層電子的吸引力，使得上一層電子的能量更高，更容易被激發(fā)或者轉(zhuǎn)移。

但是，如果最內(nèi)層電子的軌道半徑縮小了，那么它們的屏蔽效應(yīng)就會(huì)減弱，它們會(huì)抵消更少的原子核對(duì)上一層電子的吸引力，使得上一層電子的能量更低，更穩(wěn)定，更難被激發(fā)或者轉(zhuǎn)移。這樣，相對(duì)論壓縮的效果就會(huì)向外傳遞，影響所有的軌道亞層，特別是s軌道亞層，最容易受到相對(duì)論壓縮的影響。

這樣，汞的最外層的6s軌道亞層的電子的能量就會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論壓縮而降低，也就更穩(wěn)定，也就更難被激發(fā)或者轉(zhuǎn)移。這就意味著，汞的最外層的電子更不愿意和其他原子共享，也就更不容易形成金屬鍵，也就更不容易形成固態(tài)。這就是相對(duì)論對(duì)汞的液態(tài)的影響，它使得汞的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)更低，甚至比一些非金屬元素還低。