常溫下呈液態原因

原子中，電子在核的一旁飛快地運動。在核電荷數很大的原子即重原子中，強大的核電荷役使內層電子運動速度快到堪與光速相比，相對論效應影響隨即而生。不過，由於原子、分子的化學性質主要由價電子決定，以致直到1970 年之前人們還普遍認為相對論純屬於物理界的事，同化學沒什麼關係。

70 年代末，出現了超級計算機，含相對論效應的量子化學計算方法頓作勁疾發展。從此相對論同化學之間的直接聯絡得以洞識，人們的看法也為之一改。本文所介紹的一些研究結果旨在表明：相對論效應對重原子以及含重原子的分子、原子簇的化學、光譜性質具有實質影響。相對論效應源自重原子內層電子的運動速度。當內層s 電子的運動速度達到堪與光速相比的程度時, 根據Einstein 相對論公式，電子的質量會相應增加並引起內層電子軌道收縮。　

例如：金的1s 電子的運動速度達到了光速的65%。相對論效應造成1s 軌道的收縮同時致使外層的6s 軌道也發生收縮並趨於穩定。正是由於6s 軌道的收縮及穩定化使得金的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315eV 。於是，金在可見光範圍內吸收藍光，閃爍出黃燦燦的金色。這迥異於一般金屬的金黃色正是相對論效應造成6s 軌道收縮從而對金的顏色起了重要影響的反映。　

表現出相對論效應影響的另一例子是汞的狀態。作為金屬的汞在常溫下卻離奇地以液態存在。　　

上述的相對論收縮效應理論能為這一不尋常的現象提供解釋。與金相仿，汞的6s 軌道在收縮的同時並趨於穩定化導致了一種稱之為“惰性對”效應：汞的6s2 殼層在成鍵過程中呈現惰性。可以看到汞的6s26p激發能遠遠超過鎘和鋅的相應激發能。按照一般週期規律 能量間隔(n s2) 1S- (n s1np 1) 1P 應隨主量子數增加而減小。

所以，由鋅到鎘能量間隔變小原在預料之中。然而由鎘到汞該能量間隔一反而陡然增加。這裡可以再次看到正是相對論收縮效應致使全滿的6s2 殼層安然穩定，於是汞的6s26p 能量間隔驟增。只要得不到所需的激發能，具有惰性6s2 殼層的汞原子之間就無法形成強鍵。基態Hg2 僅靠範德華力相互維繫，所以金屬汞在常溫下呈液態。

這個問題的解答涉及到量子力學了。汞原子的獨特性就在於它有80個外層電子，而這個電子數量導致它根據量子電動力學必然具備一種獨特的電子層結構。具體的解釋如下：

汞原子外層具有非常獨特的電子配置。

上圖：根據馬德隆法則電子子殼的填充順序如上面箭頭所示。

汞原子各層電子數分別為2, 8, 18, 32, 18, 2。汞原子的這80個電子填充了所有可用的1s，2s，2p，3s，3p，3d，4s ，4p，4d，4f，5s，5p，5d和6s子殼。(實際上根據馬德隆法則，4f子殼的填充是在6s子殼填充之後，不要把電子殼想成球面，s子殼以外都不是球面，而是某種球面諧波曲面)

子殼是主電子殼下的精細結構，由方位角量子數來描述，取值從（s=0,p=1,d=2,f=3），有四個狀態。子殼能夠容納的電子數量由2(2ℓ+1)計算確定，ℓ是方位角量子數。

這樣的一種電子配置結構能夠很好地抵抗電子被剝奪，使得汞的表現非常類似於惰性氣體，也就是說原子間的相互吸引作用很弱，基本上原子就是獨立的，不像其他金屬原子間形成很強的金屬鍵，因此在低溫下就容易熔化,而且很容易蒸發。

4f子殼被填滿使得核電荷對外層價電子的控制能力更強

汞原子不易失電子，最根本的原因就在於電子層的結構——汞原子的6s外層子殼的穩定性實際上是由於被填滿的4f子殼的存在。f子殼遮蔽核電荷作用的能力很弱，這增加了6s子殼與原子核之間的庫侖力作用，使得最外層的兩個電子被核電荷牢牢“攢”住。相關反例有鎘和鋅，這兩種元素的原子的內部f子殼沒有填充，因此其熔化溫度偏高，雖然這兩種金屬熔點也不算高，此外還因此具有異常低的沸點。

上圖：SPDF模型下，電子殼及子殼疊加的效果。所以傳統教科書上畫的那種電子層或者電子軌道的結構是不科學的。但是spdf也只是目前最受認可的理論模型，並未有完全的實驗室觀測證據。

總之

汞原子的特殊電子殼結構，使得它具有了獨特的物理特性。

黃金之所以是金黃色，是來自相對論效應對重元素原子內超高速電子的影響。

【在人類理解相對論之前，連黃金為什麼是金黃色都理解不了哦。】

汞比金還多一個電子，6s軌道上被填滿，而且6s軌道上這倆電子都由於相對論效應而向內收縮，這讓汞原子的性質和惰性氣體非常相似，也因此汞的化學性質非常不活潑。

【汞的最外層兩個6s電子因為相對論效應而向內收縮。】

你可以這麼理解，金屬裡的外層電子不愛待在自己家裡，而是喜歡到處串門，眾多電子的相互串門形成了金屬鍵，將金屬原子們牢牢的捆綁在一起，這就是鐵板一塊的金屬。但汞原子裡的外層電子由於相對論效應而變成了很重的胖子，它們要想到其他家串門就必須要多花費點能量。在同樣的溫度下，它們更難形成強的金屬鍵，就只能鬆散一片，形成Hg2分子，依靠分子間作用力聯絡在一起，從宏觀上看，它就是一攤液體。

如果需要的是判定。不妨反過來問。

常溫液體為什麼被叫作金屬汞？

答案會隨著認識的深入，不斷更新。