爱因斯坦相对论改变重元素三键结构

美国罗德岛州普罗维登斯市 [布朗大学] —— 布朗大学化学家提供的直接证据，推翻了教科书中关于重元素三重化学键作用机制的经典解释。

这项研究成果发表于《科学》杂志^[1]。研究人员证实，当原子核质量足够大时，爱因斯坦相对论中的原理会改变三重键的结构，打破教科书中三重键涉及的两类化学键之间的明确界限。布朗大学团队采用光电子能谱技术，检测到碳与重元素铋形成的化学键带有相对论性键的标志性特征。

“相对论效应对重元素十分重要的观点自20世纪70年代就已提出，”布朗大学化学教授、该研究通讯作者王来生（Lai-Sheng Wang）说，“但我们首次通过光谱学直接证明，高中化学课上学到的成键理论在重元素体系中并不成立。”

原子通过共享电子形成化学键——电子是围绕原子核运动的带负电粒子。每个原子贡献一个电子，组成一对成键电子。这对电子的强负电荷会吸引两个带正电的原子核，使它们结合在一起。部分元素会共享多对电子，形成双键或三键。

教科书中的三重键模型包含两类不同化学键：一个σ键（sigma键）和两个π键（pi键）。σ键是沿原子核间假想水平轴形成的“头碰头”强键，两个π键则是围绕σ键分布的“肩并肩”弱键。

这套模型适用于轻元素，但到了元素周期表下方，随着原子核质量增大，情况变得复杂起来。原子核质量增加会使核外电子的运动速度达到光速的显著比例，此时爱因斯坦相对论的规律开始发挥关键作用。

在相对论体系中，电子的自旋（指向上或向下的磁矩）与电子轨道不再相互独立，这种状态被称为自旋-轨道耦合。这种耦合改变了电子相互作用的规则，打破了σ键与π键之间的严格界限。

“σ键和π键的边界现在变得模糊了，”王来生说，“化学键总数仍是三个，但已无法严格区分哪个是σ键、哪个是π键。”

为验证这种键的杂化现象，王来生团队在博士生丹尼斯·卡赫拉曼（Deniz Kahraman）和 Jie Hui 的带领下，合成了铋-碳分子。铋是一种重元素，在元素周期表中紧邻铅，相对论效应十分显著。研究团队将分子冷却至接近绝对零度后，采用光电子能谱技术进行分析：用激光逐个击出分子中的电子，通过电子飞行的距离判断其结合强度。

光电子能谱显示，碳-铋键不符合“一个σ键加两个π键”的传统三重键模型，其结构更接近一个π键加两个σ-π杂化键。

王来生表示，对相对论性化学键结构的实验验证，可能推动化学教科书内容的修订，尤其是在重元素（特别是铋）的研究热度持续上升的当下。铋有望成为下一代太阳能电池中有毒铅的替代材料，同时在量子材料与量子计算领域也引发了广泛研究兴趣。

“随着我们对重元素化学的研究不断深入，这套新理论或许会成为教科书里的新内容，”王来生说。

本研究由美国国家科学基金会（项目编号CHE-2403841）和美国能源部（项目编号DE-SC0008501）资助。

注：原文中^[1]对应链接标记https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285，因排版规范调整为上标形式，链接标记位置按要求保留原意。