Ученым впервые удалось экспериментально зафиксировать влияние специальной теории относительности на химические связи внутри молекулы. Работа, проведенная группой американских ученых, показывает, что эффекты, предсказанные Эйнштейном, могут проявляться не только в физике высоких энергий, но и в химии тяжелых элементов.
Специальная теория относительности описывает изменения в восприятии пространства и времени для объектов, движущихся с околосветовой скоростью. Обычно эти эффекты наблюдаются в ускорителях частиц или при изучении астрофизических объектов. Однако в некоторых тяжелых атомах, таких как висмут, внутренние электроны также движутся с релятивистскими скоростями из-за сильного притяжения массивного ядра. Это влияет на их энергетическое состояние и, как следствие, на характер связей с другими атомами.
Объектом изучения стала заряженная молекула, состоящая из атома висмута и углерода. Согласно классическим представлениям, между ними должны были образоваться три связи: одна сигма-связь и две пи-связи, различающиеся по геометрии перекрытия электронных облаков.
Однако при составлении карты распределения электронов ученые обнаружили, что реальная картина отличается от стандартной модели. Две из трех связей не соответствовали чистым типам сигма и пи, а представляли собой их смешение. Это нарушение традиционной структуры подтвердилось в ходе теоретических расчетов, согласно которым причиной смешения стало именно релятивистское движение электронов вблизи ядра висмута. До настоящего момента этот эффект не удавалось так наглядно подтвердить в прямом эксперименте.
Главным фактором успеха стало предварительное глубокое охлаждение молекулы. Эта мера позволила подавить тепловые колебания и возбуждения, которые могли бы исказить экспериментальные данные. Благодаря этому ученые получили возможность сравнивать результаты с теоретическими моделями высокого уровня с высокой точностью. Эксперты уже отметили, что примененные методы являются наилучшими из доступных на сегодняшний день.
Зафиксированное релятивистское изменение связи между висмутом и углеродом имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Ранее было показано, что подобные эффекты могут влиять на каталитические свойства тяжелых металлов, в частности, соединений висмута. Это открывает перспективы для понимания и управления химическими процессами с их участием.
Аналогичные явления лежат в основе многих привычных технологий: от высокого напряжения в свинцово-кислотных аккумуляторах до свойств материалов, используемых в светодиодах и накопителях данных. Знание этих механизмов особенно важно и для атомной промышленности, где релятивистские эффекты определяют поведение урана и плутония, а значит, могут помочь в разработке более безопасных технологий переработки ядерных отходов и очистки загрязненных территорий.