常溫下的水銀為什么是液體？如果僅僅回答說“汞的熔點(diǎn)低”，那就未免太浮于表面了。

物質(zhì)的宏觀特性必然由微觀結(jié)構(gòu)決定，作為一種金屬元素，汞卻難以形成標(biāo)準(zhǔn)的金屬晶體，化學(xué)性質(zhì)也相當(dāng)獨(dú)特。

令我們驚訝的是，這竟然是相對(duì)論效應(yīng)與量子論效應(yīng)的雙重結(jié)果，當(dāng)我們充分了解其中的奧妙，又會(huì)不由得會(huì)對(duì)這個(gè)宇宙產(chǎn)生無盡的探索欲望了。

－文字稿－

汞要被歸入周期表里最特殊的那一類元素中：它的熔點(diǎn)低達(dá)-38.83℃，是唯一能在常溫下保持液態(tài)的金屬，因此也是常溫下密度最大的液體——但它的沸點(diǎn)也非常低，只有356.73℃，所以還是液態(tài)溫度范圍最小的金屬。

這種獨(dú)特的性質(zhì)與金子的黃色有著同樣的來源，所以在往期節(jié)目的基礎(chǔ)上，我們可以將它理解得稍透徹的一點(diǎn)。

假設(shè)我們先后拋出兩枚1塊錢的硬幣，這將有4種可能的情況：

第一枚是1，第二枚是菊花；

第一枚是菊花，第二枚是1；

第一枚是1，第二枚也是1；

第一枚是菊花，第二枚還是菊花；

所以經(jīng)過多次重復(fù)之后，統(tǒng)計(jì)1和菊花、1和1、菊花和菊花這3類情況的次數(shù)，就會(huì)大致得到2：1：1的概率比例——這就是宏觀世界最普遍的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們把它叫做“麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)”，它是人類一切數(shù)量概念的感官來源。

但是在量子世界，事情就大不相同了：如果我們用兩個(gè)光子做硬幣，就會(huì)只能看出場(chǎng)上有幾個(gè)1、幾個(gè)菊花，卻看不出誰是1，誰是菊花，好像光子都合體了，最終使得三種情況的比例成為1：1：1——這種奇怪的統(tǒng)計(jì)叫做“玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)”，服從這種統(tǒng)計(jì)的粒子就叫“玻色子”，光子是最典型的玻色子。

而如果用兩個(gè)電子做硬幣，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)上永遠(yuǎn)是一個(gè)1和一個(gè)菊花，絕不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)1或者兩個(gè)菊花，好像兩個(gè)電子總要對(duì)著干，最終使得三種情況的比例成為1：0：0——這種更奇怪的統(tǒng)計(jì)叫做“費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)”，服從這種統(tǒng)計(jì)的粒子就叫做“費(fèi)米子”，電子是最標(biāo)準(zhǔn)的費(fèi)米子。

在量子物理上， 全同費(fèi)米子“對(duì)著干”要被更加正式地表述成“泡利不相容原理”，即：兩個(gè)全同的費(fèi)米子不能處于相同的量子態(tài)。

原子中的電子當(dāng)然是全同費(fèi)米子，它們的量子態(tài)對(duì)應(yīng)著能階、自旋、磁矩、角動(dòng)量等屬性，所謂“不能處于相同的量子態(tài)”也就是必須在這些屬性上有所區(qū)別，結(jié)果就是電子必須在原子內(nèi)分層排布——而這就是理解汞元素異常熔沸點(diǎn)的關(guān)鍵。

首先的，原子核對(duì)電子有強(qiáng)大的靜電引力，這使得只有動(dòng)能最大的電子才能以最低的軌道運(yùn)動(dòng)在原子核周圍而不至于被吸進(jìn)去——那么顯然的，原子核越重，最內(nèi)層電子動(dòng)能越大——對(duì)于銫以后的元素，這些電子的動(dòng)能已經(jīng)大得產(chǎn)生了相對(duì)論效應(yīng)，使它們變得更重，壓低了軌道的半徑

其次我們還要知道，電子雖然運(yùn)動(dòng)在“軌道”上，但這種軌道絕不是我們想象的“行星軌道”那樣光溜溜的圓，而是在三維空間中延伸的幾何形體，電子在每個(gè)瞬間隨機(jī)出現(xiàn)在其中某處，可以近似理解為概率波的駐波——其中，每層電子最高能的軌道是個(gè)圓滿的同心球，稱為s軌道，當(dāng)相對(duì)論效應(yīng)使得1s軌道收縮的時(shí)候，所有s軌道就都會(huì)釜底抽薪地相應(yīng)收縮。

但其它軌道的形狀就很復(fù)雜，當(dāng)1s軌道收縮的時(shí)候，它們受到的影響沒有那樣明顯——這就有趣了：原子的每個(gè)軌道都可以容納兩個(gè)自旋相反的電子，并因此達(dá)到穩(wěn)定：金元素的最后一個(gè)電子填充在6s軌道上，沒能將軌道充滿，現(xiàn)在這個(gè)軌道降低了，那么下方5d軌道上的電子，就能吸收能量更小的可見光光子跳上來——也就是往期節(jié)目中提到的，金能吸收藍(lán)紫光，因而表現(xiàn)為黃色。

而汞比金還多了1個(gè)電子，充滿了6s軌道，下方的電子不會(huì)跳上來；而由于6s軌道在相對(duì)論效應(yīng)下降低了，它距離下一個(gè)6p軌道就更遠(yuǎn)了，需要更大的能量才可以跳上去——結(jié)果是6s軌道上的電子異常穩(wěn)定，不愿與其它原子共享——也就難以形成一般的金屬晶體，而僅以分子間作用力相互吸引，因此具備了很低的熔沸點(diǎn)。

進(jìn)一步的，氣態(tài)汞就像稀有氣體一樣，主要以單原子存在，因而也像稀有氣體那樣很容易在電壓下受激發(fā)光——我們就是利用這一性質(zhì)，制造了節(jié)能高效的日光燈管。

同樣，這種相對(duì)論效應(yīng)也給汞元素帶來了諸多特殊的化學(xué)性質(zhì)，尤其是汞化合物對(duì)生物的巨大毒性——但那就是另一個(gè)故事啦！

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