Химики впервые наблюдали влияние теории относительности на молекулярные связи
Специальная теория относительности Эйнштейна способна влиять на структуру химических связей внутри молекул — и исследователям впервые удалось это непосредственно зафиксировать. Результаты экспериментов обнародованы в журнале Science.
Специальная теория относительности описывает, как движение со скоростями, близкими к скорости света, влияет на восприятие пространства и времени путешественником. Поэтому ее обычно связывают с ускорителями частиц и космическими аппаратами.
Электроны внутри атомов тоже движутся с огромными скоростями, поэтому и на них СТО распространяется — во всяком случае, применительно к тяжелым элементам. Теоретически релятивистские эффекты в молекулах предсказаны давно. Эксперимент в Брауновском университете их подтвердил — причем в беспрецедентных подробностях.
Явление наблюдали на примере соединения висмута с углеродом. В анионе CBi− эти атомы соединены тройной связью — σ-связь вдоль оси и две перпендикулярные π-связи. Типы связей определяет квантовая механика — они зависят от конфигурации пересечения электронных облаков.
В эксперименте химики составили карту распределения электронов в молекуле, по сути получив изображение ее связей. Однако вместо распределения электронов в формах, соответствующих сигма- и пи-связям, ученые заметили, что две из связей напоминали две разные смеси сигма- и пи-форм.
«Разница σ- и π-связями оказалась размытой. То есть мы видим три связи, как и должны — но, строго говоря, четко назвать их сигмой или пи уже нельзя», — говорит профессор Лай-Шэн Ван, руководивший исследованием.
Ученые обратились к профессору Кирку Петерсону из Университета штата Вашингтон. Его расчеты подтвердили: смешение связей стало результатом движения электронов с релятивистскими скоростями, которые они развивают из-за сильнейшего электромагнитное взаимодействия с ядром.
«Самая большая сложность в изучении тяжелых элементов — это недостаток по-настоящему качественных экспериментальных данных. Провести такой блестящий эксперимент, позволяющий сопоставить результаты с теорией высокого уровня, — по-настоящему здорово», — подчеркивает Петерсон.
Важной особенностью работы, как полагает Ван, стало то, что экспериментаторы смогли сильно охладить молекулу перед тем, как изучать ее электроны. Это позволило подавить любые колебания и возбуждения, которые могли бы сделать итоговые изображения неточными.
«Когда мы спускаемся к нижней части периодической таблицы, обычной квантовой механики уже недостаточно — необходимо учитывать релятивистские эффекты», — подтверждает профессор Тронн Сау из Тулузского университета.
По его словам, все элементы в том же ряду таблицы Менделеева, что и висмут, подвержены релятивистским влияниям — например, без них золото имело бы цвет серебра, а ртуть не была бы жидкой.
Это и будет направлением дальнейших исследований — аналогичные эксперименты проведут, заменив висмут на его соседей по таблице Менделеева, чтобы выяснить, с какого из них эффекты СТО становятся значительными, поделился Ван.
