Мы привыкли ассоцииать теорию относительности с черными дырами или ускорителями частиц. Что-то далекое и абстрактное, точно не то, что происходит в бутылке с ацетоном на вашем столе. Однако странные идеи Альберта Эйнштейна гораздо ближе к реальности, чем вы думаете. Гораздо ближе.
Внутри тяжелых атомов электроны движутся с такой скоростью, что на них начинают влиять эффекты специальной теории относительности.
Лаи-Шэн Ван из Брайнского университета и его команда впервые смогли зафиксировать этот процесс «в действии». Они изучили молекулу, состоящую из висмута и углерода. Висмут — тяжелый элемент, расположенный в нижней части периодической таблицы. Электроны вокруг его ядра не просто быстро летают; они движутся настолько быстро, что стандартные правила квантовой механики начинают давать сбой.
Специальная теория относительности уже не просто искажает время и пространство. Она перестраивает химические связи.
Смешение сигма- и пи-связей
Давайте разберемся, как это обычно работает. У вас есть два атома, соединенных между собой. Электроны между ними образуют связи. Представьте сигма-связи как перекрытие орбиталей «лоб в лоб», подобно рукопожатию. Пи-связи перекрываются «бок о бок», как если бы вы стояли рядом и взяли друг друга под руки. Картинка аккуратная, чистая и предсказуемая.
Команда Ванна построила карту распределения электронов в молекуле висмут-углерод. Они ожидали увидеть три связи: одну сигма- и две пи-связи. Ничего необычного.
Однако данные оказались ошибочными.
Вместо четко выраженных сигма- или пи-форм они увидели размытое пятно. Две из связей оказались хаотичными гибридами, смесью всего и вся. «Их характеристики отличаются от общепринятого понимания», — отметил Ван. Их нельзя было даже однозначно классифицировать как сигма- или пи-связи.
Почему так произошло? Ядро висмута обладает огромной массой. Оно сильно притягивает внутренние электроны. Настолько сильно, что электромагнитное взаимодействие разгоняет электроны до релятивистских скоростей.
Кирк Петерсон из Университета штата Вашингтон провел расчеты и подтвердил эти выводы. Такое смешивание произошло потому, что электроны вблизи висмута двигались со скоростями, близкими к скорости света, и их поведение подчинялось математике Эйнштейна. Петерсон называет полученные экспериментальные данные «роскошью», отмечая, как трудно получить качественные данные для тяжелых элементов.
Холод и ясность
Чтобы увидеть картину четко, нужен был особый трюк: электроны не должны «дрожать». Ванн радикально охладил молекулы. Очень сильно охладил.
Это устранило тепловые флуктуации. Никакого теплового шума, никакого размытия. Только четкая карта того, где электроны хотели находиться. Без этого шага релятивистские искажения потерялись бы в статическом шуме.
Заставляет задуматься: почему мы так часто игнорируем теорию относительности в школьных курсах химии?
Трон Сауэ из Тулузского университета говорит прямо: стандартная квантовая механика перестает работать в нижней части периодической таблицы. Чтобы она функционировала корректно, нужно учитывать релятивистские эффекты. Это не новость для теоретиков. Золото желтое, а не серебристо-белое именно из-за этого. Ртуть является жидкостью, а не твердым блоком, тоже благодаря этому эффекту. Но наблюдать, как это активно изменяет способ связи атомов, — редкое явление.
Пекка Пёкко из Хельсинки утверждает, что это имеет значение для химии. Если вы используете висмут в органических реакциях, релятивистский «скручивание» связей может изменить его поведение. Это может сделать его лучшим катализатором. Или, наоборот, худшим. Недавние исследования в Институте Макса Планка уже свидетельствуют о том, что релятивистские эффекты делают висмут эффективным ускорителем определенных химических процессов.
Так структура связей рухнула? Не совсем. Она просто изменилась.
Ванн хочет узнать: когда именно? На какой точке периодической таблицы традиционные связи перестают работать полностью. Они заменяют висмут его соседями по таблице, чтобы проверить границы применимости моделей.
Кажется, мы только царапаем поверхность химии тяжелых элементов. Старые учебники, вероятно, уже устарели. Но перепечатать обложки пока никто не торопится.
Самым сложным является нехватка действительно качественных экспериментальных данных.
Сегодня это меняется. Возможно, завтра углерод в вашем карандаше тоже начнет вести себя странно. Вероятно, нет. Но почему мы должны предполагать обратное?
