Специальная теория относительности впервые экспериментально исказила химическую связь

Специальная теория относительности, сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, продолжает раскрывать свои неожиданные проявления в повседневных явлениях. На этот раз учёные из Японии и Германии впервые экспериментально подтвердили, что релятивистские эффекты способны изменять длину химической связи между атомами. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, основаны на эксперименте с заряженной молекулой, содержащей висмут и углерод. Это открытие не только подтверждает теоретические предсказания, но и открывает новые горизонты для понимания химии тяжёлых элементов.

Висмут и углерод: эксперимент, показавший релятивистское сжатие связей

Команда исследователей под руководством Масахико Мори из Университета Хиросимы сосредоточилась на изучении молекулярного иона [BiC]⁺, состоящего из одного атома висмута и одного атома углерода с положительным зарядом. Висмут — самый тяжёлый стабильный элемент, его ядро содержит 83 протона, что создаёт чрезвычайно сильное электрическое поле. Это поле заставляет электроны двигаться со скоростями, близкими к скорости света. Согласно специальной теории относительности, при таких скоростях масса электрона возрастает, а его орбита сжимается. Данное явление давно предсказывалось теоретиками, но экспериментально его влияние на химическую связь наблюдалось впервые.

Учёные применили метод фотоэлектронной спектроскопии: они облучали молекулу ультрафиолетовым лазером и измеряли энергию выбитых электронов. На основе этих данных они восстановили длину связи между атомами висмута и углерода. Результат оказался поразительным: связь оказалась примерно на 0,1 ангстрема короче, чем предсказывают нерелятивистские квантово-химические расчёты. Это небольшое, но статистически значимое отклонение подтверждает, что релятивистские эффекты действительно сжимают химическую связь.

Как релятивизм искажает связь?

Чтобы понять механизм этого явления, необходимо вспомнить, что в химической связи участвуют валентные электроны. У тяжёлых элементов, таких как висмут, внутренние электроны движутся вокруг ядра с огромными скоростями — до 80% скорости света. Согласно специальной теории относительности, их масса увеличивается, а радиус орбиты уменьшается. Это сжатие внутренних орбиталей изменяет экранирование ядерного заряда для внешних электронов, которые и образуют химические связи. В результате внешние электроны сильнее притягиваются к ядру, связь становится короче и прочнее. В эксперименте с [BiC]⁺ это сжатие составило около 1% от длины связи — небольшая величина, но она чётко подтверждает теоретические предсказания.

Предыстория и контекст: от теории к эксперименту

Идея о том, что специальная теория относительности может влиять на химию, возникла ещё в 1970-х годах. Тогда учёные заметили, что свойства тяжёлых элементов, таких как золото, ртуть и свинец, не укладываются в стандартные квантово-химические модели. Например, золото имеет характерный жёлтый цвет именно из-за релятивистских эффектов: электроны на внешних орбиталях движутся так быстро, что их масса возрастает, и они поглощают свет в синей области спектра, отражая жёлтый. Ртуть, вопреки ожиданиям, остаётся жидкостью при комнатной температуре — тоже из-за релятивистского сжатия орбиталей, которое ослабляет связи между атомами. Однако все эти объяснения оставались теоретическими. Прямое измерение длины связи в молекуле с тяжёлым элементом стало возможным только сейчас благодаря развитию лазерной техники и методов спектроскопии. Исследователи выбрали висмут, потому что он самый тяжёлый из стабильных элементов, а значит, релятивистские эффекты в нём максимальны. Кроме того, молекула [BiC]⁺ достаточно проста для точных расчётов и интерпретации.

Технические подробности: как измеряли длину связи

Экспериментальная установка включала источник ионов, в котором молекулы [BiC]⁺ получали лазерной абляцией твёрдой мишени из висмута и графита. Затем ионы охлаждали в ионной ловушке и облучали ультрафиолетовым лазером с энергией фотонов около 5 эВ. Измеряя кинетическую энергию выбитых электронов с помощью спектрометра, учёные определяли энергию связи электронов в молекуле. По этим данным, используя квантово-химические модели, они восстанавливали равновесное расстояние между атомами. Для надёжности результаты сравнивали с расчётами, выполненными как с учётом релятивистских поправок, так и без них. Разница между экспериментальным значением и нерелятивистским расчётом составила 0,1 ангстрема, что значительно превышает погрешность измерений.

Кого затронет и как: от фундаментальной химии до материаловедения

Открытие имеет значение прежде всего для фундаментальной науки — оно впервые экспериментально подтверждает, что специальная теория относительности напрямую влияет на химическую связь. Это меняет понимание химии тяжёлых элементов, которые широко используются в промышленности: висмут применяется в сплавах и медицине, свинец — в аккумуляторах, золото — в электронике. Для химиков-теоретиков это означает, что при расчётах свойств соединений с тяжёлыми элементами необходимо обязательно учитывать релятивистские эффекты, иначе результаты будут неверны. Для разработчиков новых материалов это может стать ключом к предсказанию свойств катализаторов, сверхпроводников и других функциональных материалов на основе тяжёлых элементов. Например, релятивистские эффекты могут объяснять необычную активность некоторых катализаторов, содержащих платину или золото. В России и странах СНГ, где развита металлургия и химическая промышленность, эти результаты могут стимулировать исследования в области химии тяжёлых элементов и поиск новых применений.

Что будет дальше

Учёные планируют продолжить эксперименты с другими молекулами, содержащими тяжёлые элементы, например, с соединениями свинца и урана. Цель — построить количественную теорию релятивистских эффектов в химических связях и научиться предсказывать их влияние на свойства материалов. В перспективе это может привести к созданию новых материалов с заданными характеристиками, а также к уточнению фундаментальных констант, таких как постоянная тонкой структуры, которая определяет силу электромагнитного взаимодействия.

Итог

Эксперимент с молекулой [BiC]⁺ впервые доказал, что специальная теория относительности Эйнштейна способна изменять длину химической связи. Это открытие не только подтверждает давние теоретические предсказания, но и открывает путь к более точному пониманию химии тяжёлых элементов. Следите за новостями: возможно, в ближайшие годы мы увидим, как релятивистские эффекты помогут создать новые катализаторы или сверхпроводники.