Normalerweise stellen wir uns Relativitätstheorie als etwas vor, das in der Nähe von Schwarzen Löchern geschieht. Oder in Teilchenbeschleunigern. Weit weg. Nicht in der Acetonflasche auf Ihrem Schreibtisch. Aber Albert Einsteins seltsame Ideen liegen näher als Sie denken. Viel näher.
In schweren Atomen bewegen sich Elektronen so schnell, dass sie die Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie spüren.
Lai-Sheng Wang von der Brown University und sein Team haben dies gerade auf frischer Tat ertappt. Erstmals. Sie untersuchten ein Molekül aus Wismut und Kohlenstoff. Wismut ist schwer. Es befindet sich am unteren Ende des Periodensystems. Die Elektronen um ihn herum flitzen nicht einfach dahin; Sie sind so schnell, dass die Standardregeln der Quantenmechanik ins Wanken geraten.
Spezielle Relativitätstheorie verbiegt nicht mehr nur Zeit und Raum. Es formt chemische Bindungen um.
Das Sigma-Pi-Chaos
So funktioniert es normalerweise. Sie haben zwei Atome verbunden. Die Elektronen zwischen ihnen bilden Bindungen. Stellen Sie sich Sigma-Anleihen als sich direkt überschneidende Anleihen vor. Wie ein Händedruck. Pi-Bindungen überlappen nebeneinander. Als würden wir nebeneinander stehen und die Arme verschränken. Es ist ein aufgeräumtes Bild. Sauber. Vorhersehbar.
Wangs Team kartierte die Elektronenverteilung im Wismut-Kohlenstoff-Molekül. Sie erwarteten drei Anleihen. Ein Sigma. Zwei pi. Standardtarif.
Sie haben sich die Daten angesehen. Es war falsch.
Anstelle deutlicher Sigma- oder Pi-Formen sahen sie eine Unschärfe. Zwei der Anleihen waren chaotische Hybride. Eine Mischung aus allem. „Ihre Charaktere unterscheiden sich vom normalen Verständnis“, sagte Wang. Man kann sie nicht einmal Sigma oder Pi nennen.
Warum? Der Wismutkern ist massiv. Es zieht diese inneren Elektronen stark an. So hart, dass die elektromagnetische Wechselwirkung die Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten zwingt.
Kirk Peterson von der Washington State University hat die Zahlen ermittelt. Er hat es bestätigt. Diese Vermischung geschah, weil sich die Elektronen in der Nähe von Wismut nahe genug an der Lichtgeschwindigkeit bewegten, um Einsteins Mathematik zu berücksichtigen. Peterson nennt die experimentellen Daten „einen Luxus“. Er weist darauf hin, wie schwierig es ist, gute Daten für schwere Elemente zu erhalten.
Kalt und klar
Es gab einen Trick, um das klar zu erkennen. Es kann keine wackeligen Elektronen geben. Wang kühlte die Moleküle drastisch ab. Sehr kalt.
Das hat die Nervosität beseitigt. Kein thermisches Rauschen. Keine Unschärfe. Nur eine gestochen scharfe Karte, wo die Elektronen sein wollten. Ohne diesen Schritt wäre die relativistische Verzerrung in der Statik verloren gegangen.
Man wundert sich, warum wir die Relativitätstheorie im Chemieunterricht so oft ignorieren.
Trond Saue von der Universität Toulouse bringt es auf den Punkt: Die Standardquantenmechanik bricht am Ende der Tabelle zusammen. Damit es funktioniert, braucht man Relativität. Theoretisch sind das keine neuen Neuigkeiten. Aus diesem Grund ist Gold gelb statt silberweiß. Quecksilber ist kein fester Block, sondern eine Flüssigkeit. Aber sehen Sie, dass es die Bindung von Atomen aktiv verändert? Das ist selten.
Pekka Pyykkö aus Helsinki sagt, das sei wichtig für die Chemie. Wenn Sie Wismut in organischen Reaktionen verwenden, kann die relativistische Verdrehung der Bindungen sein Verhalten verändern. Es könnte es zu einem besseren Katalysator machen. Oder ein schlimmeres. Aktuelle Studien am Max-Planck-Institut deuten bereits darauf hin, dass relativistische Effekte Wismut zu einem guten Beschleuniger für bestimmte chemische Prozesse machen.
Die Bindungsstruktur ist also zusammengebrochen? Nicht ganz. Es hat sich einfach geändert.
Wang will wissen, wann. Genau dieser Punkt im Periodensystem führt dazu, dass die traditionellen Anleihen völlig scheitern. Sie tauschen Wismut gegen Nachbarn, um die Grenzwerte zu testen.
Es fühlt sich an, als würden wir nur an der Oberfläche der Schwerelementchemie kratzen. Die alten Lehrbücher sind vermutlich mittlerweile veraltet. Aber noch hat niemand die Cover aktualisiert.
Das Schwierigste ist der Mangel an wirklich guten experimentellen Daten.
Das ändert sich heute. Vielleicht verhält sich der Kohlenstoff in Ihrem Stift morgen auch seltsam. Wahrscheinlich nicht. Aber warum nicht annehmen?
