重元素の化学結合に相対性理論が影響、直接証拠を初確認
原題: Einstein's relativity rules chemical bonds in heavy elements, new research shows
なぜ重要か
重元素の化学結合理論の根本的見直しを促し、新材料設計や触媒化学など応用分野への波及が期待される。
Brown大学の化学者チームは、アインシュタインの相対性理論が重元素における三重結合の構造を変えるという直接的な分光学的証拠を初めて示した。研究は科学誌『Science』に掲載。ビスマスと炭素の分子を光電子分光法で分析し、教科書で説明されるσ結合1本・π結合2本という三重結合モデルが重元素では成立しないことを実験的に証明した。
Brown大学の研究チームは、重元素における三重化学結合の従来モデルを覆す直接的な実験的証拠を発表した。研究は学術誌『Science』に掲載された。
教科書上の三重結合は、核間軸に沿った強い「σ結合」1本と、その周囲を包む比較的弱い「π結合」2本から構成されるとされてきた。このモデルは軽い元素には有効だが、周期表の下部に位置する重元素では原子核の質量が増大し、軌道電子が光速の相当な割合にまで加速する。その結果、アインシュタインの相対性理論の効果が無視できなくなる。
相対論的な領域では、電子のスピン（磁気モーメント）と軌道が互いに独立でなくなる「スピン軌道結合」が生じる。これによってσ結合とπ結合の厳密な区別が崩れる。
研究を主導したLai-Sheng Wang教授（Brown大学化学科）と博士課程学生のDeniz KahramanおよびJie Huiは、鉛に隣接する重元素ビスマスと炭素からなる分子を生成した。分子を絶対零度近くまで冷却したのち、レーザーで電子を弾き出す光電子分光法で分析した。
得られた光電子スペクトルは、従来のσ結合1本・π結合2本という構造とは一致せず、π結合1本とσ・π混成結合2本に近い構造を示した。Wang教授は「σ結合とπ結合の境界が曖昧になっている。三重結合であることは変わらないが、厳密な意味でのσやπではなくなっている」と述べた。
相対性理論が重元素の化学的性質に影響するという考え自体は1970年代から提唱されてきたが、今回の研究はその直接的な分光学的証拠を初めて提供するものとなった。