相對論量子化學將相對論力學與量子化學相結合來計算元素的性質和結構，尤其是元素周期表中較重的元素。 一個突出的例子是對黃金顏色的解釋：由于相對論效應，它不像大多數其他金屬那樣呈銀色。

相對論效應一詞是根據量子力學的歷史發展起來的。 最初，量子力學是在沒有考慮相對論的情況下發展起來的。 相對論效應是考慮相對論的模型計算出的值與不考慮相對論的模型計算出的值之間的差異。 相對論效應對于具有高原子序數的較重元素很重要，例如鑭系元素和錒系元素。

化學中的相對論效應可以被認為是對非相對論化學理論的擾動或小修正，該理論是從薛定諤方程的解發展而來的。 這些修正對電子的影響取決于電子速度與光速的不同。 相對論效應在重元素中更為突出，因為只有在這些元素中，電子才能達到足夠的速度，使元素具有不同于非相對論化學預測的特性。

從 1935 年開始，Bertha Swirles 描述了多電子系統的相對論處理，盡管 Paul Dirac 于 1929 年斷言量子力學中xxx存在的缺陷僅在涉及高速粒子時才會引起困難，因此與此無關 在考慮原子和分子結構以及普通化學反應時的重要性，實際上，如果忽略質量和速度的相對論變化并且僅假設各種電子和原子核之間的庫侖力，它通常是足夠準確的。

直到 20 世紀 70 年代，在重元素中觀察到相對論效應之前，理論化學家大體上都同意狄拉克的觀點。 在薛定諤 1926 年的文章中，薛定諤方程是在沒有考慮相對論的情況下得到發展的。 對薛定諤方程（見克萊因-戈登方程）進行了相對論校正以描述原子光譜的精細結構，但這一發展和其他發展并沒有立即滲透到化學界。 由于原子譜線主要屬于物理領域而不是化學領域，因此大多數化學家不熟悉相對論量子力學，他們的注意力集中在當時有機化學重點關注的較輕元素上。

狄拉克關于相對論量子力學對化學系統的作用的觀點是錯誤的，原因有二。 首先，s 和 p 原子軌道中的電子以光速的很大一部分行進。 其次，相對論效應會產生間接后果，對于 d 和 f 原子軌道尤其明顯。

相對論最重要和最熟悉的結果之一是電子的相對論質量隨著時間的推移而增加

m rel = m e 1 ? ( v e / c ) 2 , {\displaystyle m_{\text{rel}}={\frac {m_{\text{e}}}{\sqrt {1-( v_{\文本{e}}/c){2}}}},}

其中 m e , v e , c {\displaystyle m_{e},v_{e},c} 分別是電子靜止質量、電子速度和光速。 右圖說明了這種作為速度函數的相對論效應。

這對玻爾半徑 ( a 0 {\displaystyle a_{0}} ) 有直接影響，由下式給出

a 0 = ? m e c α , {\displaystyle a_{0}={\frac {\hbar }{m_{\text{e}}c\alpha }},}

其中 ? {\displaystyle \hbar } 是簡化的普朗克常數，α 是精細結構常數（玻爾模型的相對論校正）。

Arnold Sommerfeld 計算出，對于軌道半徑為 0.0529 nm 的氫原子的 1s 軌道電子，α≈1/137。 也就是說，精細結構常數表明電子以接近光速的 1/137 行進。

對于 1s 電子，可以通過使用表達式 v ≈ Z c 137 {\displaystyle v\approx {\frac {Zc}{137}}} 將其擴展到原子序數為 Z 的更大元素，其中 v 是 它的徑向速度，即與原子半徑相切的瞬時速度。 對于 Z = 79 的金，v ≈ 0.58c，因此 1s 電子將以光速的 58% 移動。 將此代入相對論質量方程中的 v/c，會發現 mrel = 1.22me，然后將其代入高于 1 的玻爾半徑，會發現半徑縮小了 22%。

如果將相對論質量代入玻爾半徑方程，則可以寫成

a rel = ? 1 ? ( v e / c ) 2 m e c α 。 {\displaystyle a_{\text{rel}}={\frac {\hbar {\sqrt {1-(v_{\text{e}}/c){2}}}}{m_ {\text{e}}c\alpha }}.}