没想到吧？要用爱因斯坦的相对论，才能合理解释为什么汞是液态的

通常情况下，金属都是坚硬的固体，但有一种金属却是例外，那就是汞，汞俗称水银，在常温常压下，它们总是以液态的形式存在，那么，汞为什么会如此特殊呢？

实际上，这个问题有点复杂，因为要用爱因斯坦的相对论，才能合理解释为什么汞是液态的，没想到吧？下面我们就来具体了解一下。

正如我们所知，原子是由原子核和核外电子构成的，其中原子核带正电，电子带负电，它们靠静电吸引维系在一起。实际上，原子的化学性质，几乎都是由核外电子的排布状态决定的。

具体来讲，在原子的最外侧，有一些能量相对较高、与原子核结合得比较松散的电子，这被称为价电子，当金属原子大量聚集在一起的时候，原子的价电子通常都会脱离原来的位置，变成整块金属共同拥有的自由电子。

这些自由电子在金属晶体内部游荡，就像一片流动的电子海洋，于是失去价电子的原子就变成了带正电的金属离子，它们镶嵌在这片电子海洋里，依靠与周围自由电子的静电吸引力结合在一起。

这种"正离子镶嵌在自由电子海洋中，靠静电力相互结合"的方式，就被称为金属键。金属键的本质是静电吸引，自由电子越多，对正离子的吸引力就越强，金属键也就越强，熔点当然就越高。

所以金属键的强弱，取决于原子到底有多愿意把价电子贡献出来。那么问题就来了，什么样的原子更愿意贡献价电子呢？要回答这个问题，我们需要简单了解一下电子排布。

核外电子的分布不是随机的，它们只能待在一些特定的能量状态上，这些状态通常被称为轨道。我们可以将其简单地想象为成围绕原子核的一层一层的"壳"，从内到外依次是第1能层、第2能层、第3能层……能层越往外，电子的能量越高。

由于同一能层中的电子能量还有微小的差异，因此每个能层内部还有更细致的划分，这被称为亚层，通常用字母s、p、d、f来标记。

其中s亚层最多容纳2个电子，p亚层最多容纳6个电子，d亚层最多容纳10个电子，f亚层最多容纳14个电子。

电子填充这些亚层的顺序，遵循能量最低原理，也就是说，电子总是优先占据能量最低的空位，其顺序如下图所示。

根据量子力学，全满的亚层具有特殊的稳定性，而电子则会强烈趋向于这种稳定性，一旦全满，它们就不会轻易离开。

由于过渡金属的外层电子大部分都有未填满的d亚层，更容易贡献出价电子，所以它们中大多数的金属键都很强，从而在常温常压下表现为固态。

但汞原子却是个例外，因为它们外层电子中的d亚层和s亚层全部填满了（即5d¹⁰6s²），在这样的情况下，其电子结构处于很稳定的状态，所以它们极不愿意贡献价电子，如此一来，就造成了其金属键非常弱，熔点也因此变得很低。

讲到这里，肯定有人会问了，既然如此，问题就已经解决了，那为什么要扯到相对论呢？我们接着看。

在元素周期表中，30号元素锌和48号元素镉，它们都与汞一样是第12族元素，其外层电子中的d亚层和s亚层也全部填满了（锌是3d¹⁰4s²，镉是4d¹⁰5s²），所以它们的熔点也应该很低，那事实是否真是这样呢？

来看一组数据：锌的熔点约为419.5摄氏度，镉约为321.1摄氏度，汞约为零下38.8摄氏度。

从中可以看到，尽管锌和镉熔点确实明显低于很多常见的金属，但相比之下，汞的熔点实在是太低了（从锌到镉降了近100度，这还算正常，但从镉到汞，却陡然跌了近360度）。

那么问题就来了，同样的电子构型，为什么汞的熔点会比镉低如此之多？事实上，光靠上述的理论，根本就无法合理解释这种断崖式的下跌，这个时候，就需要爱因斯坦的相对论出马了。

根据狭义相对论，一个物体的运动速度越快，其质量越大，具体点讲就是，一个静止质量为m₀的粒子，当它以速度v运动时，其相对论质量为：

m = m₀ / √(1 - v²/c²)

这个分母里的 √(1 - v²/c²) 就是所谓的洛伦兹因子的倒数，通常写作1/γ，其中γ = 1 / √(1 - v²/c²)。当速度远小于光速时，γ≈1，质量几乎不变，相对论效应可以忽略，但当速度接近光速时，γ会急剧增大，其质量也会随之急剧增大。

原子核内的质子带正电，核外电子带负电，两者之间有静电吸引力，电子绕核运动，有点像月亮绕地球，需要一个向心力，这个向心力正是由静电吸引力提供的，所以质子越多，静电吸引力越强，电子被拉得越紧，绕核速度就越快。

对于轻元素来说，这个速度还远不足以引发明显的相对论效应，比如说氢原子只有1个质子，1s电子的轨道速度大约是光速的0.7%，γ≈1.000025，质量增加可以忽略不计。

但随着原子序数增大，情况却会发生变化。

汞是80号元素，其原子核内有80个质子，这些质子产生的强大正电场，把6s亚层的电子加速到了大约光速的58%，此时γ = 1 / √(1 - 0.58²) ≈ 1.23，也就是说电子的相对论质量比静止质量增加了约23%。

23%当然不是一个可以忽略的数字，所以汞的6s电子，就会因为相对论效应导致其轨道半径明显收缩，我们可以将其简单地理解为，这是因为原子轨道的半径与电子的质量密切相关，电子的质量越大，它在轨道上的运动越“笨重”，其轨道半径就越小。

随着这些电子向内靠近，整个电子壳层也随之向原子核收紧，如此一来，就使得电子与核之间的束缚更加紧密，也正是因为这种紧密的束缚，汞原子的外层电子就几乎无法脱离出来形成自由电子，也就极难形成稳固的金属键。

所以在常温常压下，汞原子基本上就只能依靠微弱的范德华力来结合，彼此之间只需要很小的能量就能滑动，并因此呈现为液态。

可以看到，在引入了相对论之后，对于从镉到汞的熔点为什么会断崖式的下跌这个问题，就有了一个合理的解释，那就是：镉的原子序数只有48，相对论效应没有大到足以导致这种明显的变化。

值得一提的是，时至今日，这个解释已经在实验中得到了一定程度的验证，科学界也对此普遍认同。