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2018-09-01相對論效應 在化學上的應用
585 期
Author 作者
蘇明德／英國劍橋大學理論化學博士，現任國立嘉義 大學應用化學系、高雄醫學大學醫藥暨應用化學系合 聘教授。
愛因斯坦的「相對論」並非艱深難懂、遙不可及。事實上，它相當平易近人，並且就存在你我之間，隨處可見。
愛因斯坦的相對論
愛因斯坦毫無疑問是科學界最偉大的人物之一，其畢生工作就是把大部份的物理學幾何化。包括時間變成了三 度空間座標的第4個夥伴構成「四維世界」，以及引力被解釋為「四維世界所以彎曲的表現」。他對科學界做重要的貢獻有二，一是「相對論」，另一是「統一場論」（因為他是第一個提出此想法的人），但讓他一舉成名的無疑是「相對論」，筆者倒想在這裡介紹「相對論效應」對我們日常生活的影響。
一般我們都承認，只有「相對論量子力學」才是真正理解化學現象的嚴格理論基礎，但承認歸承認，實際上卻很少有人用它來進行化學研究。近年來，電腦科技進步及各種計算方法的發明，為相對論量子化學的複雜計算提供了有效工具，使其成為理論化學領域中的後起之秀。大量研究結果指出，隨著原子序數的增大，「 相對論效應」的影響亦跟著增加，不僅如此，「相對論效應」還可以解釋各種重元素「反常」的化學現象，也因此其對原子和分子化學性質的影響，早已在國際上引起了廣泛的注意和重視。
「貌合神離」的一家人
舉例來說，有些元素週期表中同一家族、性質差異卻有大有小，如銅 （Cu）、 銀（Ag）、 金（Au）3種元 素，它們在週期表裡雖屬於同一行家 族（第 11 族），但銅和銀的性質較 為近似，而金卻和銅及銀的性質差異 頗大。又鋅（Zn）、 鎘（Cd）、 汞（Hg） 元素在週期表裡也屬同一族（第 12 族）， 鋅和鎘的性質就比較相似，而 汞則和前面2種元素性質可說很不一 樣。還有錫（Sn）和鉛（Pb）等元素 （第14族）原子也都有類似的狀況， 這些都可以用相對論效應來解釋。
在解釋相對論效應之前，可先對各族 包含原子序（Z）、電子組態、游離 能以及電子親和力等特質作基礎了 解，如下（表一~三），我們將舉數 個實例，探討相對論效應如何影響元素及化合物的化學性質。在開始探討這些現象前，先來簡單介紹一下「直接」與「間接」相對論效應。
相對論的收縮與擴張
直接相對論效應
原子核本身帶有正電荷，這使得越靠近原子核的電子會受到較強的原子核吸引力，導致電子的運動速度接近光速。根據愛因斯坦的「狹義相對論」，任何物質的運動速度若接近光速，其質量必然跟著改變，且該電子的「相對論質量」將會增加，而電子繞行原子核的軌道半徑將會縮小，導致電子能階的能量下降，電子雲分佈縮小，該現象即為「直接相對論效 應」，又稱「相對論收縮（relativistic contraction）」。 這種相對論收縮對 s 和 p 能階的影響尤其明顯，原子量 很重的元素更是如此。由於相對論收縮源自於元素的原子核與s、p 電子 的直接作用，故又稱為「直接相對論效應」。……【更多內容請閱讀科學月刊第585期】