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相對論量子化學

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相對論量子化學是指同時使用量子化學和相對論力學來解釋元素的性質與結構的方法，特別是對於元素周期表中的重元素。早期量子力學的發展並不考慮相對論的影響，因此人們通常認為「相對論效應」是指由於計算沒有考慮相對論而與真實值產生差異或甚至矛盾。本文中的重元素指的是元素周期表中原子序數較大的元素。由於質量較大的緣故，相對論對它們的影響是不可忽略的。典型的重元素包括鑭系元素和錒系元素等。在化學中，相對論效應可以視為非相對論理論的微擾或微小修正，這可以從薛定諤方程推導獲得。這些修正對原子中不同原子軌道上的電子具有不同的影響，這取決於這些電子的速度與光速的相對差別。相對論效應在重元素更加顯著，這是由於只有這些元素中的電子速度能與光速相比擬。

簡介

原先理論化學家基本上同意狄拉克的看法，然而1970年代人們開始認識到重元素的相對論效應。1926年，在那篇著名的文獻中，奧地利量子物理大師薛定諤提出了不考慮相對論的薛定諤方程。科學家對薛定諤方程作了相對論性的修正（參見克萊因-戈爾登方程），以解釋原子光譜的精細結構，然而這類修正並沒有很快融入化學研究中，因為原子譜線主要屬於物理學而不是化學。多數化學家對相對論量子力學並不熟悉，而且當時化學研究的重點是有機化學（主要是典型的輕元素）。

評價

物理性質和化學性質最終都取決於電子的能量和分布。對於重元素，必須考慮相對論效應才能對其性質作出準確描述。元素周期表是科學家們以當時已發現的元素的周期性規律為基礎建立的。實際上，以此建立的化學模型給它帶來了生命力。然而，第6周期元素（Cs-Rn）與第5周期元素（Rb-Xe）與上一周期元素的物理性質和化學性質有許多差別，顯示出明顯的相對論效應。金以及電子排布類似的鉑和汞的相對論效應特別顯著。由於電子排布接近4f和5d全充滿電子，這三種元素是除超鈾元素以外相對論效應最大的元素。