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相对论量子化学

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相对论量子化学是指同时使用量子化学和相对论力学来解释元素的性质与结构的方法，特别是对于元素周期表中的重元素。早期量子力学的发展并不考虑相对论的影响，因此人们通常认为“相对论效应”是指由于计算没有考虑相对论而与真实值产生差异或甚至矛盾。本文中的重元素指的是元素周期表中原子序数较大的元素。由于质量较大的缘故，相对论对它们的影响是不可忽略的。典型的重元素包括镧系元素和锕系元素等。在化学中，相对论效应可以视为非相对论理论的微扰或微小修正，这可以从薛定谔方程推导获得。这些修正对原子中不同原子轨道上的电子具有不同的影响，这取决于这些电子的速度与光速的相对差别。相对论效应在重元素更加显著，这是由于只有这些元素中的电子速度能与光速相比拟。

简介

原先理论化学家基本上同意狄拉克的看法，然而1970年代人们开始认识到重元素的相对论效应。1926年，在那篇著名的文献中，奥地利量子物理大师薛定谔提出了不考虑相对论的薛定谔方程。科学家对薛定谔方程作了相对论性的修正（参见克莱因-戈尔登方程），以解释原子光谱的精细结构，然而这类修正并没有很快融入化学研究中，因为原子谱线主要属于物理学而不是化学。多数化学家对相对论量子力学并不熟悉，而且当时化学研究的重点是有机化学（主要是典型的轻元素）。

评价

物理性质和化学性质最终都取决于电子的能量和分布。对于重元素，必须考虑相对论效应才能对其性质作出准确描述。元素周期表是科学家们以当时已发现的元素的周期性规律为基础建立的。实际上，以此建立的化学模型给它带来了生命力。然而，第6周期元素（Cs-Rn）与第5周期元素（Rb-Xe）与上一周期元素的物理性质和化学性质有许多差别，显示出明显的相对论效应。金以及电子排布类似的铂和汞的相对论效应特别显著。由于电子排布接近4f和5d全充满电子，这三种元素是除超铀元素以外相对论效应最大的元素。