[科普中国]-重元素

定义

重元素主要是指原子序数较高，相对原子质量较大的元素。重元素是新功能材料和新能源的宝库，对国民经济和国防建设具有极其重要的意义。例如，大多数催化剂的活性中心是重元素；铀、钚等钢系元素是核能源、核武器的核心成分；稀土元素更是新材料的源泉。1

特点由于重元素体系比较大，电子结构体系复杂，一直以来都是物理化学等相关科学研究上的热点和难点。尤其是近几十年发展起来过渡族金属有机化合物的研究更是当今化学的前沿领域之一。自50年代初合成出二茂铁以来，各种新的过渡金属有机化合物如雨后春笋般不断涌现，而且经久不衰。大量论文和报道也体现了过渡金属有机化合物的研究的热度。进一步发展过渡金属有机化合物的研究不仅具有重要的科学意义，而且对于开辟新能源、发现新型化学反应、开发新药物以及对于环境保护等都至关重要。1

重元素体系的相对论效应重元素体系的一个重要研究要点是相对论效应的影响，这是因为重元素原子中内壳层的电子的运动速度大大提高，以致接近光速，所以其电子的相对论效应比较显著。另外由于级联效应会将相对论效应的影响传导至运动速度较低的价电子。一般来讲，原子分子中相对论效应分为直接相对论效应和间接相对论效应。前者包括电子自旋磁矩与轨道磁矩的藕合作用（即旋-轨藕合作用，spin-orbit coupling）以及电子在原子核附近高速运动而引起的s和p轨道在空间上的收缩和能量上的降低。需要指出的是，价层s和p轨道的收缩也是直接相对论效应，而不是由于这些轨道要与内层轨道正交而引起的。因为s和p价电子会穿透到原子核附近。另一方面，所谓间接相对论效应是指收缩的内层轨道对原子核构成更好的屏蔽，从而导致外层的d和f轨道在空间上延展和能量上升高。2

长期以来，人们普遍认为价电子的相对论效应可以忽略，因为内层电子对核有显著的屏蔽作用，从而使得价电子的运动速度远小于光速。然而，随着实验技术和理论方法的发展，人们逐渐认识到重原子和含重元素的分子的相对论效应实际上相当重要。

重元素体系的相对论效应研究方法研究重元素体系的相对论效应的理论基础是Dirac方程，理论工具是相对论量子化学计算。根据对Dirac哈密顿量的近似程度的不同，相对论量子化学方法分为四分量，二分量和单分量（标量）相对论方法。对于相对论量子化学计算的研究，欧洲各国历来相当重视。20世纪80年代中期之后约15年的时间里，以德国为首的欧洲各国在强大的经费支持下，对相对论量子化学进行了深入系统的研究，在理论方法、程序以及应用等方面都取得很大进展、并极大地影响了理论与计算化学的各个方面。

阿姆斯特丹密度泛函（ADF）软件就是在这样的历史背景下发展起来的一款成熟的商业软件，它支持标量和二分量相对论量子化学计算。与其他量子化学软件相比，在处理过渡金属体系和重元素化合物的时候有着独特的优势。

重元素体系的相对论效应的实验研究要落后于理论研究。在实验上，研究相对论效应主要有光电子能谱（Photoelectron Spectroscopy, PES）、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）和康普顿散射（Compton scattering）等方法。其中PES通过测量光电子能谱的自旋一轨道劈裂能，以及测量自旋一轨道劈裂组分的分支比随光子能量的关系等来研究相对论效应，而NMR和康普顿散射主要通过测量相对屏蔽常数、康普顿轮廓等来探究相对论效应。

EMS由于可以获得分立轨道动量空间径向电子密度分布，所以在研究原子分子电子结构方面具有独特的优势。最先将EMS应用于相对论效应的研究的是Cook等人。31984年，他们利用电子动量谱学方法研究了相对论效应对原子的电子波函数的影响。