新研究表明爱因斯坦的相对论规则了重元素中的化学键

罗德岛州普罗维登斯[布朗大学]——布朗大学的化学家提供了直接证据，颠覆了教科书对重元素中三重化学键如何发挥作用的解释。在《科学》杂志上发表的一项研究中，研究人员证明，当原子核足够重时，爱因斯坦相对论中描述的原理会改变三键的结构——模糊了教科书三键中涉及的两种不同类型键之间的界限。布朗团队利用一种称为光电子能谱的技术，证明了碳和重元素铋产生的键具有相对论键的明显特征。布朗大学化学教授、该研究的通讯作者王来生说：“相对论对于重元素很重要的观点自 20 世纪 70 年代以来就一直存在。” “但我们提供的直接光谱证据表明，我们在高中学到的有关化学键的知识在重元素中并不正确。”原子通过共享电子（绕原子核运行的带负电的粒子）形成键。每个原子共享一个电子，形成键合对。电子对的强负电荷吸引两个带正电的原子核，将它们固定在一起。有些元素共享多个电子对，形成双键或三键。教科书上的三键图涉及两种不同类型的键：一种西格玛键和两种π键。西格玛键是一种强的“正面”键，沿着原子核之间的假想水平轴发生。两个 pi 键的强度稍弱，“并排”键环绕着 sigma 键。这张图适用于较轻的元素，但在元素周期表的底部，原子核变得更重，事情就变得混乱了。核质量的增加导致绕轨道运行的电子加速到光速的很大一部分，这使得爱因斯坦相对论的规则很重要。在相对论状态下，电子的自旋（指向上或下的磁矩）和电子的轨道不再彼此独立，这种状态称为自旋轨道耦合。这种耦合改变了电子相互作用的规则，破坏了西格玛键和π键之间的严格分离。 “西格玛键和 pi 键之间的界限现在有点模糊，”王说。 “我们仍然有三个债券，但我们不再严格地拥有西格玛或圆周率。”为了证明这种键合杂交的证据，王和他的团队在布朗博士的领导下进行了研究。学生德尼兹·卡赫拉曼（Deniz Kahraman）和杰辉（Jie Hui）用铋和碳形成了分子。铋是一种重元素——在元素周期表中仅次于铅——相对论效应应该很重要。将分子冷却至接近绝对零后，研究小组使用光电子能谱对其进行分析。该技术使用激光将单个电子从分子中的位置敲出。每个电子飞行的距离告诉研究人员它们被束缚的程度。光电子能谱显示碳-铋键不符合传统的三键图（一个西格玛键和两个π键）。相反，该结构看起来更像是一个 pi 键和两个混合 sigma-pi 键。王说，相对论结构的实验验证可能会促使化学教科书的重写，特别是当重元素（尤其是铋）引起更多研究兴趣时。铋可以成为下一代太阳能电池中有毒铅的替代品。它还引起了人们对量子材料和量子计算相关研究的兴趣。 “随着我们正在处理越来越多的重元素重化学，也许这将成为新的教科书想法，”王说。这项工作由美国国家科学基金会 (CHE-2403841) 和美国能源部 (DE-SC0008501) 资助。