아인슈타인 상대성이론이 중원소 화학결합 지배
원제: Einstein's relativity rules chemical bonds in heavy elements, new research shows
왜 중요한가
중원소의 화학결합 원리를 실험적으로 재정립함으로써 촉매·소재 등 중원소 응용 분야 연구의 이론적 토대를 바꿀 수 있다.
Brown University 화학자들이 2026년 7월 9일 과학저널 Science에 발표한 연구에서, 무거운 원소에서 상대성이론이 삼중 화학결합의 구조를 바꾼다는 최초의 직접적인 분광학적 증거를 제시했다. 탄소와 비스무트 분자를 광전자 분광법으로 분석하여 시그마 결합과 파이 결합의 경계가 혼합됨을 실험적으로 확인했다.
Brown University의 화학 교수 Lai-Sheng Wang 연구팀은 무거운 원소에서 교과서의 삼중 결합 이론이 성립하지 않는다는 직접적인 실험 증거를 Science지에 발표했다.
교과서에 따르면 삼중 결합은 1개의 시그마(σ) 결합과 2개의 파이(π) 결합으로 구성된다. 시그마 결합은 두 원자핵 사이의 축 방향으로 형성되는 강한 결합이며, 파이 결합은 그 주위를 감싸는 상대적으로 약한 결합이다. 이 구조는 가벼운 원소에서는 정확히 적용되지만, 주기율표 하단의 무거운 원소에서는 달라진다.
원자핵이 무거울수록 궤도를 도는 전자의 속도가 광속의 상당한 비율에 달하게 되고, 이 영역에서는 아인슈타인의 상대성이론이 적용된다. 그 결과 전자의 스핀과 궤도가 독립적이지 않게 되는 '스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)' 현상이 발생하며, 시그마 결합과 파이 결합의 엄격한 구분이 사라진다.
연구팀은 납 옆에 위치한 중원소 비스무트(Bi)와 탄소(C)로 구성된 분자를 절대영도 근처까지 냉각시킨 뒤, 광전자 분광법(photoelectron spectroscopy)을 사용해 분석했다. 레이저로 전자를 분자 내 위치에서 탈출시키고 각 전자의 이동 거리를 측정하여 결합 강도를 파악하는 방법이다.
그 결과, 탄소-비스무트 분자의 광전자 스펙트럼은 기존 삼중 결합 구조인 '시그마 1개 + 파이 2개'와 일치하지 않았다. 대신 '파이 결합 1개 + 시그마-파이 혼성 결합 2개'에 가까운 구조가 나타났다. Wang 교수는 "시그마와 파이의 경계가 흐릿해진 상태"라며 "세 개의 결합은 존재하지만, 엄밀한 의미의 시그마나 파이라고 할 수 없다"고 설명했다. 또한 "1970년대부터 중원소에서 상대성이론이 중요하다는 개념이 있었지만, 이번에 직접적인 분광학적 증거를 제시한 것"이라고 밝혔다.