新元素奇异行为打破元素周期表规律(5)

  以上这些现象都是直接相对论效应(direct relativistic effect)的结果,简单来说,就是由核电荷增大导致的。然而,一些竞争性效应的存在使事情并不那么简单。一方面直接相对论效应使得某些原子轨道更加稳定,另一方面“间接”相对论效应(indirect relativistic effect)却使d轨道和f轨道失去稳定。这是由于s电子和p电子造成了静电屏蔽(electrostatic screening)。当从离核较远处测量时,s电子和p电子所带的负电荷抵消了来自带正电的原子核的吸引,所以离原子核较远的电子受到的静电吸引不是更大,反而是更小。因此外层电子轨道应当向外膨胀,而不是向内收缩,这与上一段的描述是相悖的。

  在日常生活中,一些关于元素的相对论效应是显而易见的。例如,相对论效应可以用来解释金为什么是金黄色,而在元素周期表中处于它正上方、同处d区的银却是银白色的。

  处于元素周期表d区的金属原子与适当波长的光子相遇时,会发生电子跃迁。金属原子吸收光子的能量,使得电子能够从d轨道跃迁至位于其正上方的s轨道。在银原子中,这两个轨道间的能级差非常大,以致于需要位于频谱紫外区的光子才能触发该跃迁。而位于可见光区的光子能量低于紫外线,只能被反射而无法被吸收,所以在我们看来,银显得光亮如镜。

  对于金而言,相对论效应导致的收缩一方面降低了s轨道的能级,同时还升高了d轨道的能级,使得这两个轨道间的能级差缩小。这样一来,跃迁所需的激发能降低——恰好与可见光区蓝光部分的光子能量相匹配。其他颜色区域的光子依然被反射,最终我们观察到的是缺少了蓝光的可见光,即蓝色的互补色——金黄色。

  芬兰赫尔辛基大学的佩卡•皮克(Pekka Pyykkö)教授及其他研究人员先后预测了一系列相对论效应对金元素的影响,包括金原子能以令人惊讶的崭新方式与其他原子结合。他们的预言很快被实验证实,基于这种相互作用的化合物先后被发现,这一成果的意义不亚于当年门捷列夫对新元素的预言。皮克教授的成功预言包括金与惰性气体氙(这种气体的化学性质极不活泼)间的成键,以及金-碳叁键的存在。另外,还成功预言了一种球状分子,这种分子由1个钨原子与12个金原子构成,与全碳“富勒烯”(fullerene),又称巴克球(buckyball)的性质极为相似。当钨与金在氦气中气化时,就会自发形成这种金富勒烯。

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