重元素の化学結合にEinsteinの相対性理論が支配
मूल शीर्षक: Einstein's relativity rules chemical bonds in heavy elements, new research shows
यह क्यों महत्वपूर्ण है
重元素の化学結合機構の実験的解明は、周期表下部の元素を用いた新材料・触媒設計に影響を与える可能性がある。
Brown大学の化学者チームが、重元素における三重結合の教科書的説明を覆す直接的証拠を発見した。Science誌に発表された研究で、ビスマスと炭素の結合を光電子分光法で分析し、相対論的結合の特徴を確認した。
Brown大学の研究者たちは、重元素における三重化学結合の仕組みについて、教科書の説明を覆す直接的証拠を提供した。この研究はScience誌に掲載された。
教科書では、三重結合は1つのシグマ結合と2つのパイ結合から構成されると説明されている。シグマ結合は原子核間の軸上に形成される強い結合で、2つのパイ結合はそれを囲む側方結合だ。この説明は軽い元素には適用できるが、周期表の下部に位置する重元素では事情が異なる。
核の質量が大きくなると、電子が光速に近い速度で軌道を回るようになり、Einsteinの相対性理論の効果が現れる。この相対論的状態では「スピン軌道結合」が生じ、電子のスピンと軌道が独立でなくなる。その結果、シグマ結合とパイ結合の厳密な区別が崩れる。
研究チームは、リードに隣接する重元素であるビスマスと炭素からなる分子を生成し、絶対零度近くまで冷却した上で光電子分光法で分析した。レーザーで分子から電子をはじき出し、飛距離から結合強度を測定した結果、炭素とビスマスの結合は従来の三重結合（シグマ1つ＋パイ2つ）ではなく、パイ結合1つとシグマ・パイ混成結合2つの構造を示した。
対応著者のLai-Sheng Wang教授（Brown大学化学）は「高校で学ぶ化学結合の知識が重元素では成り立たないことを、初めて直接的な分光学的証拠で示した」と述べた。なお、相対性理論が重元素に重要だという考え自体は1970年代から存在していたが、今回初めて実験的証拠が得られた。研究はBrown大学博士課程学生のDeniz KahramanとJie Huiが主導した。