Jsme zvyklí spojovat teorii relativity s černými dírami nebo urychlovači částic. Něco vzdáleného a abstraktního, rozhodně ne to, co se děje v lahvičce s acetonem na vašem stole. Podivné představy Alberta Einsteina jsou však realitě mnohem blíže, než si myslíte. Mnohem blíž.
Uvnitř těžkých atomů se elektrony pohybují tak rychle, že na ně začnou působit účinky speciální teorie relativity.
Lai-Sheng Wang z Bryan University a jeho tým dokázali poprvé zachytit tento proces v akci. Studovali molekulu skládající se z bismutu a uhlíku. Vizmut je těžký prvek nacházející se ve spodní části periodické tabulky. Elektrony kolem jeho jádra nejen rychle obletí; pohybují se tak rychle, že se standardní pravidla kvantové mechaniky začnou hroutit.
Speciální teorie relativity již nezkresluje pouze čas a prostor. Přeskupuje chemické vazby.
Míchání sigma a pi dluhopisů
Pojďme zjistit, jak to obvykle funguje. Máte dva atomy navzájem propojené. Elektrony mezi nimi tvoří vazby. Přemýšlejte o sigma dluhopisech jako o překrývajících se orbitálech, jako při podání ruky. Pi-ties se překrývají vedle sebe, jako byste stáli vedle sebe a drželi se za ruce. Obraz je čistý, čistý a předvídatelný.
Vannův tým zmapoval rozložení elektronů v molekule bismut-uhlík. Očekávali, že uvidí tři dluhopisy: jednu sigma a dvě pí. Nic neobvyklého.
Údaje se však ukázaly jako chybné.
Místo jasně definovaných tvarů sigma nebo pí viděli rozmazanou skvrnu. Dvě ze spojení se ukázala jako chaotické hybridy, směs všeho a všech. “Jejich vlastnosti se liší od běžného chápání,” řekl Wang. Nemohly být ani jasně klasifikovány jako sigma nebo pí dluhopisy.
Proč se to stalo? Jádro bismutu má obrovskou hmotnost. Silně přitahuje vnitřní elektrony. Tak silná, že elektromagnetická interakce urychluje elektrony na relativistické rychlosti.
Kirk Peterson z Washington State University provedl výpočty a potvrdil tato zjištění. K tomuto míšení došlo, protože elektrony v blízkosti bismutu se pohybovaly rychlostí blízkou rychlosti světla a jejich chování se podřídilo Einsteinově matematice. Peterson nazývá získaná experimentální data „luxus“ a poznamenává, jak obtížné je získat dobrá data pro těžké prvky.
Studené a jasné
Aby byl obrázek jasně vidět, byl zapotřebí speciální trik: elektrony by se neměly „třást“. Vann radikálně zchladil molekuly. Bylo velmi velmi chladno.
Tím se eliminovaly teplotní výkyvy. Žádný tepelný šum, žádné rozmazání. Jen jasná mapa toho, kde elektrony chtěly být. Bez tohoto kroku by se relativistická zkreslení ztratila ve statickém šumu.
Divíte se: proč ve školních kurzech chemie tak často ignorujeme teorii relativity?
Tron Saouet z University of Toulouse to říká na rovinu: standardní kvantová mechanika přestává fungovat ve spodní části periodické tabulky. Aby fungoval správně, je třeba počítat s relativistickými efekty. Pro teoretiky to není žádná novinka. To je důvod, proč je zlato žluté a ne stříbřitě bílé. Rtuť je spíše kapalina než pevný blok, a to i díky tomuto efektu. Ale vidět, jak aktivně mění způsob vazby atomů, je vzácný jev.
Pekka Pökko z Helsinek tvrdí, že to má důsledky pro chemii. Pokud použijete vizmut v organických reakcích, relativistické „kroucení“ vazeb může změnit jeho chování. To z něj může udělat lepší katalyzátor. Nebo naopak nejhorší. Nedávné výzkumy v Institutu Maxe Plancka již naznačují, že relativistické účinky činí vizmut účinným urychlovačem určitých chemických procesů.
Takže struktura spojení se zhroutila? Vlastně ne. Prostě se změnila.
Vann chce vědět: kdy přesně? V jakém bodě periodické tabulky přestanou tradiční dluhopisy úplně fungovat? Nahrazují bismut jeho tabulkovými sousedy, aby otestovali limity použitelnosti modelů.
Zdá se, že pouze škrábeme po povrchu chemie těžkých prvků. Staré učebnice jsou pravděpodobně zastaralé. S dotiskem obálek ale zatím nikdo nespěchá.
Nejtěžší je nedostatek skutečně kvalitních experimentálních dat.
Dnes se to mění. Možná se zítra uhlík ve vaší tužce také začne chovat divně. Pravděpodobně ne. Ale proč bychom měli předpokládat opak?
