Ми звикли асоціювати теорію відносності із чорними дірками чи прискорювачами частинок. Щось далеке та абстрактне, точно не те, що відбувається у пляшці з ацетоном на вашому столі. Проте дивні ідеї Альберта Ейнштейна набагато ближчі до реальності, ніж ви думаєте. Набагато ближче.
Усередині важких атомів електрони рухаються такою швидкістю, що у них починають впливати ефекти спеціальної теорії відносності.
Лаї-Шен Ван із Брайнського університету та його команда вперше змогли зафіксувати цей процес «у дії». Вони вивчили молекулу, що складається з вісмуту та вуглецю. Вісмут – важкий елемент, розташований у нижній частині періодичної таблиці. Електрони довкола його ядра не просто швидко літають; вони рухаються настільки швидко, що стандартні правила квантової механіки починають давати збій.
Спеціальна теорія відносності вже не просто спотворює час та простір. Вона розбудовує хімічні зв’язки.
Змішування сигма- та пі-зв’язків
Давайте розберемося, як це зазвичай працює. У вас є два атоми, з’єднані між собою. Електрони з-поміж них утворюють зв’язку. Уявіть сигма-зв’язку як перекриття орбіталей «лоб у лоб», подібно до рукостискання. Пі-зв’язки перекриваються «пліч-о-пліч», ніби ви стояли поруч і взяли один одного під руки. Картинка акуратна, чиста та передбачувана.
Команда Ванна побудувала карту розподілу електронів у молекулі вісмут-вуглець. Вони очікували побачити три зв’язки: один сигма- і два пі-зв’язки. Нічого незвичайного.
Однак дані виявилися хибними.
Замість чітко виражених сигма або пі-форм вони побачили розмиту пляму. Два зв’язки виявилися хаотичними гібридами, сумішшю всього і вся. “Їхні характеристики відрізняються від загальноприйнятого розуміння”, – зазначив Ван. Їх не можна було навіть однозначно класифікувати як сигма-або пі-зв’язки.
Чому так сталося? Ядро вісмуту має величезну масу. Воно сильно притягує внутрішні електрони. Так сильно, що електромагнітна взаємодія розганяє електрони до релятивістських швидкостей.
Кірк Петерсон з Університету штату Вашингтон провів розрахунки та підтвердив ці висновки. Таке змішування відбулося тому, що електрони поблизу вісмуту рухалися зі швидкостями, близькими до швидкості світла, і їхня поведінка підкорялася математиці Ейнштейна. Петерсон називає отримані експериментальні дані “розкішшю”, відзначаючи, як важко отримати якісні дані для важких елементів.
Холод і ясність
Щоб побачити картину чітко, потрібний був особливий трюк: електрони не повинні тремтіти. Ванн радикально охолодив молекули. Дуже сильно охолодив.
Це усунуло теплові флуктуації. Жодного теплового шуму, ніякого розмиття. Тільки чітка мапа того, де електрони хотіли перебувати. Без цього кроку релятивістські спотворення загубилися в статичному шумі.
Примушує замислитись: чому ми так часто ігноруємо теорію відносності у шкільних курсах хімії?
Трон Сауе із Тулузького університету говорить прямо: стандартна квантова механіка перестає працювати у нижній частині періодичної таблиці. Щоб вона функціонувала коректно, слід враховувати релятивістські ефекти. Це не новина для теоретиків. Золото жовте, а не сріблясто-біле саме через це. Ртуть є рідиною, а не твердим блоком, також завдяки цьому ефекту. Але спостерігати, як активно змінює спосіб зв’язку атомів, — рідкісне явище.
Пекка Пекко з Гельсінкі стверджує, що це має значення для хімії. Якщо ви використовуєте вісмут в органічних реакціях, релятивістський «скручування» зв’язків може змінити його поведінку. Це може зробити його найкращим каталізатором. Або, навпаки, найгіршим. Нещодавні дослідження в Інституті Макса Планка вже свідчать, що релятивістські ефекти роблять вісмут ефективним прискорювачем певних хімічних процесів.
Тож структура зв’язків впала? Не зовсім. Вона просто змінилася.
Ван хоче дізнатися: коли саме? На якій точці періодичної таблиці традиційні зв’язки перестають працювати повністю. Вони замінюють висмут його сусідами по таблиці, щоб перевірити межі застосування моделей.
Здається, ми лише дряпаємо поверхню хімії важких елементів. Старі підручники, мабуть, уже застаріли. Але передрукувати обкладинки поки що ніхто не поспішає.
Найскладнішим є брак справді якісних експериментальних даних.
Сьогодні це змінюється. Можливо, завтра вуглець у вашому олівці теж почне поводитися дивно. Мабуть, ні. Але чому ми маємо припускати протилежне?
