元素漫谈（五）铬
择要
铬，原子序数24，铬有二十多种同位素，最稀有的铬有28此中子。室温下的单质铬是坚固而有光晕的金属。Chromium来自于希腊文中“颜色”的意思。铬有很多带颜色的化合物，如今颜料的制备中还会用到铬。一些物质中掺杂了铬也会拥有颜色，比如，红宝石的赤色便与铬有关。
图一：不同颜色的含铬化合物
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Chromium来自于希腊文中“颜色”的意思。铬有很多带颜色的化合物（图一），如今颜料的制备中还会用到铬。一些物质中掺杂了铬也会拥有颜色，比如，红宝石的赤色便与铬有关。红宝石的主体是刚玉（三氧化二铝最安定的形态），刚玉本身是纯透的。原子中的电子约莫占据的能量并不是一连的，而是量子化的，一旦光的能量与电子两个量子态的能量差相称时，电子可以与光子有互相作用，刚玉在可见光范围与光子无明显互相作用，因此无色纯透。假如三价的铬代替了三价的铝，电子允许占据的能级会被改动，终极让铝的氧化物展现为赤色（强红光穿透，强紫光吸取，强黄绿光吸取）。不仅铬的化合物和掺杂铬的晶体容易展现颜色，含铬的离子在溶液中也有多种颜色，这些颜色的泉源很多与铬的价层d轨道有关。铬的英文Chromium照旧Google的一个项目名，欣赏器Chrome的名字就是劈头于此。
图二：铬掺杂对颜色的影响。刚玉（三氧化二铝）是无色纯透的，随着铬的掺杂，颜色渐渐由红变绿。 图片泉源：
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电子在原子中的布局必要用量子力学表明。电子布局依照两个量子数被分类，这两个量子数分散是主量子数n和角量子数l，它们和别的两个量子数（角动量z分量量子数和自旋）形貌了电子的形态。主量子数n决定了电子的壳层，每个壳层可包容的电子数是2n2（2，8，18，32，……）。好比n＝1时，依据量子力学，l只能有一个取值0，角动量z分量量子数也仅有一个取值。由于泡利不相容原理，原子中不克不及有两个量子数完全一样的电子，因此，再加上自旋这个自在度，n＝1这个壳层最多只能添补两个电子，氢是只填一个电子的例子，氦是只填两个电子的例子。
每个壳层依据角动量不同而有不同支层。比如，n＝2时，l有两个取值，分散是0和1，对应两个支壳层。l＝0的支层，角动量z分量仅有一个取值，再加上自旋自在度，这个支层可以包容两个电子，对应锂和铍。l＝1的支层，角动量z分量有三个取值（－1，0，1），再加上自旋的自在度，这个支层可以包容六个电子，对应从硼到氖。因此，整个n＝2壳层可以包容8个电子，对应第二周期从锂到氖的八种元素。元素周期表并不是完全依照2n2的纪律排的，由于电子不一定填完一个主量子数n再填下一个，它恪守的是能量最低原理。比如，（n＝3，l＝2）与（n＝4，l＝0）这两个支壳层的能量就十分接近，添补时不必填满一个再填另一个。
习气上，人们用s、p、d、f来对应l＝0、1、2、3的不同支壳层。铬有24个电子，此中18个电子与十分安定的氩一样，剩下5个电子填在价层d轨道上，1个电子填在最外层的s轨道上，这6个电子让铬与其他元素不同。铬的价层d轨道指的便是电子角动量l＝2的轨道，它允许五种角动量z分量取值（－2，－1，0，1，2），再加上自旋，这个轨道最多可以添补10个电子。由于这个d轨道的存在，铬能与其他元素机动地组合，它在化合物中可以呈负二价到正六价，共九种约莫价态。多种价态让铬构成多种化合物，有些恰好带颜色。除了颜料，生存中我们还常碰到不锈钢中的铬，由于铬会被氧气钝化，构成一层保护层，因此质料外表会变得不活泼，不容易受情况影响，相似的例子有铝的外表构成三氧化二铝。兵马俑中兵器上的涂层发觉过铬的存在。
铬也经常显现于科研中，比如作为微加工武艺中的正中镀层。已往几十年里，铬用于科研中的一个出名例子是巨磁阻效应。巨磁阻效应于1988年被发觉，2007年取得诺贝尔物理学奖。所谓巨磁阻效应，简便来说指的是电阻随磁场大幅度厘革的征象，它显现于多层有布局的薄膜中。图三给出了巨磁阻征象的一个表现图，随着磁场显现，电阻值大幅度改动，这个征象可以用于硬盘的信息存储。磁阻征象150年前就被发觉了，比如，铁的电阻在磁场下可以厘革约莫5％，而巨磁阻征象中的电阻厘革可以高达100％，这个效应与电子自旋有关。巨磁阻征象于多层瓜代的铁和铬薄膜中被发觉，铁起图三中铁磁性层的作用，铬起图三中非铁磁性层的作用，这一局部系中磁场下的电阻厘革可达50％。铬本身的磁性也很特别，它是是室温下唯一的反铁磁元素。关于磁性的先容，我们将在漫谈其他元素时触及。
图三：巨磁阻征象。左上，无磁场时，两个铁磁性薄膜磁化反向，记为R↑↓；右上，加磁场时，两个铁磁性薄膜磁化同向，记为R↑↑；下图，随着磁场增长，电阻值渐渐变小，由R↑↓变为R↑↑。GMR值就是电阻在磁场中厘革的比例。
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铬，原子序数24，不为人熟知的稀有元素，它的化学实质来自量子力学。
