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相對論在化學和化學工程中有哪些應用?

2019年04月07日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 1 ℃ 次

【王焱的回答(10票)】:

樓主的問題像是在開腦洞,不過化學理論裡面確實用到過相對論。重過渡金屬由於原子核質量大,因而電子受到的引力大,運動速度和光速的量級接近了,就產生了相對論效應。後果大概就是電子變「重」,運動軌道更靠近原子核,鍵長縮短。鑭系收縮(瞬間想起了當年搞化競的時候...)也是相對論效應的後果之一。答主不是搞這方面的,具體請看萬能的wiki

Relativistic quantum chemistry

Klein

【夸克duscbt的回答(7票)】:

廣相我不懂,下面僅討論狹義相對論。

化學中的相對論記得有本中文的科普性專著討論過,然而記不得名字也沒搜到。有一篇Annual Review的文章(內容我沒看,似乎AR都是Open Access的?):Relativistic Effects in Chemistry: More Common Than You Thought 。AIP發表過一篇更望而生畏的perspective:Perspective: Relativistic effects 。周公度前輩也有一篇著名的《大學化學》小文叫《相對論效應在結構化學中的作用》。好像是劉春立老師上課講過一個段子,說某某化學家研究相對論效應走火入魔,看什麼都用相對論效應解釋云爾。該化學家貌似還挺著名的,知乎上應該有和我一起上課的同學,歡迎補充。

高中化學(要麼就是高中競賽化學)中必定會介紹鑭系收縮與惰性電子對效應,而這一現象和效應幾乎是量子化學相對論效應在無機化學中的一個通俗闡釋和等價概念了。金的顏色、汞的流動性均可以通過這個效應被解釋。這篇J. Chem. Edu.的文章Why is mercury liquid? Or, why do relativistic effects not get into chemistry textbooks? 常被提及,寫的也非常引人入勝,值得一讀。直到2013年,還有篇Angew的通訊以不同的團簇結構入手,用基於量子多體的Monte Carlo方法對汞原子間的相互作用進行模擬,探討了相對論效應的機制:Evidence for Low-Temperature Melting of Mercury owing to Relativity 。

插一句,北京大學化學學院的劉文劍老師在相對論量子化學方面造詣深厚,然而他的量化課堪稱極品。某著名視頻彈幕網站可以查看課程視頻:

【大型苦情連續劇】北京大學量子化學公開課-01_公開課,請有興趣的同學自行感受。該課程會講到一點點相對論量子化學,我知難而退的drop了就沒聽他講二次量子化後面的過程。

化工作為一種過程工程技術,和化學有著截然的區別。從某種意義上講,金催化技術衍生的工業應用或新技術可以算作相對論在化工中的應用,然而我個人認為這個思路是十分牽強的。化工現在研究的對象現在也朝著極端方向發展了,比如超超臨界過程、爆轟過程,可似乎在不牽扯核工業的情況下還都達不到相對論的物理範疇。

有一個相對論和化工雜交的領域,如果學力學、天文和物理的同學不反對的話,我想舉出相對論流體力學的例子。該學科主要應用於天體物理現象的理論分析和數值模擬。我聽過一個相關的報告,感覺和化工中常用的計算流體力學方法很是接近,但是一旦扯到相對論以及電動力學、等離子物理等方面又顯得十分玄幻,格外高端。

【熊寶寶的回答(5票)】:

之前的幾個答案都已經提到過,相對論在化學體系中的作用主要體現在處理重過渡金屬原子的性質的方面。也有答案提到,6s2惰性電子對效應,其實是相對論的作用。因此,涉及重過渡金屬的化學體系中,相對論會扮演重要的角色。答主在這裡舉出一個實際生活中的例子:

比如,生活中再常見不過的鉛酸電池,它的電動勢的一大部分可以歸因於相對論效應。

通過理論計算的結果,我們能直觀地看到相對論效應對體系的影響。2011年的一篇PRL報道了使用相對論與非相對論方法計算鉛酸電池電動勢的結果。

這篇文章用從頭算的方法計算Pb, PbSO4, PbO2三種物質的能級,並結合其他參與物種的實驗數據得到鉛酸電池反應的自由能變,進而得到電動勢。

文中計算電子能級和態密度時,對相對論的處理用了三種方法:

  • NR(nonrelativistic, 非相對論): 不考慮相對論效應
  • SR(scalar relativistic, 標量相對論):不考慮軌道-自旋耦合的相對論效應
  • FR(fully relativistic, 完全相對論):考慮所有相對論效應

得到的結果如下:

上圖是用三種方法對於生成能的計算。ΔSR和ΔFR分別為與非相對論結果的插值。文章中也對第五週期的Sn進行了計算。上圖是用三種方法對於生成能的計算。ΔSR和ΔFR分別為與非相對論結果的插值。文章中也對第五週期的Sn進行了計算。

上表是用三種相對論考慮計算得到的電動勢值。可以看出,如果沒有相對論效應,鉛酸電池的電動勢只有大約0.4-0.5 V,跟實際值相去甚遠。上表是用三種相對論考慮計算得到的電動勢值。可以看出,如果沒有相對論效應,鉛酸電池的電動勢只有大約0.4-0.5 V,跟實際值相去甚遠。

(表格第一列為計算使用的程序,第二列為採用的交換相關泛函模型)

圖表均來自原文獻:Ahuja, Rajeev, et al. "Relativity and the lead-acid battery." Physical review letters 106.1 (2011): 018301.

【熊寶寶的回答(4票)】:

6s2惰性電子對效應

【插了翅膀的叫獸的回答(1票)】:

參見《結構化學》

標籤:-化學 -物理學 -相對論 -物理應用


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