为什么汞在常温常压下是液体？ - 知乎日报

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常温下的水银为什么是液体？如果仅仅回答说“汞的熔点低”，那就未免太浮于表面了。

物质的宏观特性必然由微观结构决定，作为一种金属元素，汞却难以形成标准的金属晶体，化学性质也相当独特。

令人惊讶的是，这竟然是相对论效应与量子论效应的双重结果。

汞要被归入周期表里最特殊的那一类元素中：它的熔点低达 -38.83℃，是唯一能在常温下保持液态的金属，因此也是常温下密度最大的液体——但它的沸点也非常低，只有 356.73℃，所以还是液态温度范围最小的金属。

这种独特的性质与金子的黄色有着同样的来源，所以在往期节目的基础上，我们可以将它理解得稍透彻的一点。

假设我们先后抛出两枚 1 块钱的硬币，这将有 4 种可能的情况：

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，第二枚还是菊花；

所以经过多次重复之后，统计 1 和菊花、1 和 1、菊花和菊花这 3 类情况的次数，就会大致得到 2：1：1 的概率比例——这就是宏观世界最普遍的统计规律，我们把它叫做“麦克斯韦 - 玻尔兹曼统计”，它是人类一切数量概念的感官来源。

但是在量子世界，事情就大不相同了：如果我们用两个光子做硬币，就会只能看出场上有几个 1、几个菊花，却看不出谁是 1，谁是菊花，好像光子都合体了，最终使得三种情况的比例成为 1：1：1——这种奇怪的统计叫做“玻色 - 爱因斯坦统计”，服从这种统计的粒子就叫“玻色子”，光子是最典型的玻色子。

而如果用两个电子做硬币，我们就会发现场上永远是一个 1 和一个菊花，绝不会同时出现两个 1 或者两个菊花，好像两个电子总要对着干，最终使得三种情况的比例成为 1：0：0——这种更奇怪的统计叫做“费米 - 狄拉克统计”，服从这种统计的粒子就叫做“费米子”，电子是最标准的费米子。

在量子物理上，全同费米子“对着干”要被更加正式地表述成“泡利不相容原理”，即：两个全同的费米子不能处于相同的量子态。

原子中的电子当然是全同费米子，它们的量子态对应着能阶、自旋、磁矩、角动量等属性，所谓“不能处于相同的量子态”也就是必须在这些属性上有所区别，结果就是电子必须在原子内分层排布——而这就是理解汞元素异常熔沸点的关键。

首先的，原子核对电子有强大的静电引力，这使得只有速度最大的电子才能以最低的轨道运动在原子核周围而不至于被吸进去——那么显然的，原子核越重，最内层电子速度越大——对于铯以后的元素，这些电子的速度已经大得产生了相对论效应，使它们变得更重，压低了轨道的半径。

其次我们还要知道，电子虽然运动在“轨道”上，但这种轨道绝不是我们想象的“行星轨道”那样光溜溜的圆，而是在三维空间中延伸的几何形体，电子在每个瞬间随机出现在其中某处，可以近似理解为概率波的驻波——其中，每层电子最高能的轨道是个圆满的同心球，称为 s 轨道，当相对论效应使得 1s 轨道收缩的时候，所有 s 轨道就都会釜底抽薪地相应收缩。

但其它轨道的形状就很复杂，当 1s 轨道收缩的时候，它们受到的影响没有那样明显——这就有趣了：原子的每个轨道都可以容纳两个自旋相反的电子，并因此达到稳定：金元素的最后一个电子填充在 6s 轨道上，没能将轨道充满，现在这个轨道降低了，那么下方 5d 轨道上的电子，就能吸收能量更小的可见光光子跳上来——也就是往期节目中提到的，金能吸收蓝紫光，因而表现为黄色。

而汞比金还多了 1 个电子，充满了 6s 轨道，下方的电子不会跳上来；而由于 6s 轨道在相对论效应下降低了，它距离下一个 6p 轨道就更远了，需要更大的能量才可以跳上去——结果是 6s 轨道上的电子异常稳定，不愿与其它原子共享——也就难以形成一般的金属晶体，而仅以分子间作用力相互吸引，因此具备了很低的熔沸点。