アインシュタインの相対性理論が重元素の化学結合を変えることを示す研究
(brown.edu)- Brown University の研究チームは、重い原子核では 相対論的効果 が三重結合の構造を変え、教科書にあるシグマ結合・パイ結合の区別がもはや厳密には成り立たないことを示す直接的な分光学的証拠を得た
- 重元素では電子が光速のかなりの割合まで加速され、電子のスピンと軌道が結び付く スピン軌道相互作用 によって電子相互作用の規則が変わり、シグマ結合とパイ結合の境界があいまいになる
- 炭素とビスマスで作った分子を絶対零度近くまで冷却し、光電子分光法 で測定した結果、結合は従来のシグマ1本・パイ2本ではなく、パイ1本・シグマ-パイ混成結合2本に近かった
- 今回の結果は、1970年代から知られていた重元素の相対論的効果を直接検証し、三重結合を2種類の結合に厳密に分ける 教科書モデル の修正が必要であることを示した
- ビスマスは次世代太陽電池で有毒な鉛を置き換える候補であり、量子材料・量子コンピューティング研究の対象でもあるため、相対論的結合構造の確認は 重元素化学 研究に直接影響する可能性がある
重元素で変わる三重結合
- 原子は負電荷を持つ電子を共有して結合し、各原子が電子を1つずつ出してできた電子対が、正電荷を持つ2つの原子核を引き寄せる
- 2組以上の電子対を共有すると二重結合や 三重結合 が形成される
- 従来の三重結合モデルは、強い正面結合である シグマ結合 1本と、比較的弱い側面結合であるパイ結合2本で構成される
- シグマ結合は2つの原子核の間の仮想的な水平軸に沿って形成される
- 2本のパイ結合はシグマ結合の周囲を取り巻く形で作られる
- このモデルは軽元素には当てはまるが、周期表の下側にある重元素では原子核質量が大きくなるにつれて電子が光速のかなりの割合まで加速され、アインシュタインの相対性理論 が重要になる
- 相対論的領域では、上下を向く電子の磁気モーメントであるスピンと電子軌道はもはや互いに独立ではなく、これを スピン軌道相互作用 と呼ぶ
- スピン軌道相互作用は電子同士の相互作用の規則を変え、シグマ結合とパイ結合の厳密な分離を崩す
- 結合の総数は依然として3本だが、それぞれをシグマまたはパイとして明確に分類するのは難しい
炭素-ビスマス結合を直接測定した方法と結果
- Brown University の研究チームは、Science に掲載された研究で、炭素と重元素であるビスマスから分子を作り、相対論的結合混成 を調べた
- ビスマスは周期表で鉛のすぐ隣にあり、相対論的効果が重要になると見込まれる重元素である
- 研究チームは分子を絶対零度近くまで冷却した後、光電子分光法で解析した
- 光電子分光法 は、レーザーで分子内の電子を1つずつ元の位置から引き離し、電子が飛んだ距離を使って結合の強さを判定する
- 測定された光電子スペクトルは、炭素-ビスマス結合がシグマ1本とパイ2本から成る従来型の三重結合構造と一致しないことを示した
- 実際の構造は パイ結合1本 と、シグマ・パイの性質が混ざった混成結合2本により近かった
- 重元素で相対性が重要だという発想は1970年代から存在していたが、今回の研究は高校化学で学ぶ結合モデルが重元素には当てはまらないことを示す 直接的な分光学的証拠 を提供した
- ビスマスは次世代太陽電池で有毒な鉛を置き換える可能性があり、量子材料や量子コンピューティング研究でも関心を集めている
- 重元素をより多く扱うようになれば、相対論的構造が新たな教科書モデルになる可能性がある
- 研究は米国 National Science Foundation の CHE-2403841 と Department of Energy の DE-SC0008501 の支援を受けた
1件のコメント
Hacker News のコメント
相対論的効果のため、水銀は室温で液体です。内側の電子が光速のおよそ60%で動くことで外側の電子をより強く引き寄せ、結合や固体形成が難しくなります
ただし物理学者ではないので、宇宙船の設計にこの説明をそのまま信じないでください
相対論的領域では、電子のスピンと軌道が独立ではないスピン軌道相互作用が生じる、という話が興味深いです。シグマ結合やパイ結合は初めて聞きました
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285
重い元素の電子軌道に相対性が影響することは、すでに知られていたのでは？ 2000年代半ばの物理の授業でも習いましたし、金の色が相対論的効果に由来することも知られています
https://physics.aps.org/articles/v10/s3
今回の発見は、特定のイオンの特定の結合で現れた新しいケースに近いものです。大学の誇張気味のプレスリリースより論文を直接読むほうがよく、編集者サマリーの時点で「原子が十分に重くなって相対性が関与すると、このモデルが揺らぎ始めることは以前から明らかだった」と述べています
https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry
Einstein の卓越性は科学を超えています
<https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
彼はユダヤ人であるというアイデンティティを誇りに思いながらも、もしそうした生に生まれていなければ、自分は果たしてユダヤ人だったのかと問いかけました。彼の徹底した宿命論にはあまり同意しませんが、彼の姓は私の姓はもちろん、ほとんど誰の姓よりも広く知られています
2000年代半ばに医薬化学の学位を取りましたが、今日の視覚資料で科学教育がどれほど驚くべきものになり得るかは想像しにくいものがあります。今では、すべての元素の高度にインタラクティブなモデルを、別途ソフトウェアなしにウェブブラウザ上でワンクリックで見ることができます。当時は図書館にある2次元の印刷物だけを見て、頭の中の空間感覚で有機化学構造を回転させなければならなかったのに、それでも A を取りました
「ビスマスが次世代太陽電池で有毒な鉛を置き換えられる」という文言には疑問があります。現在大量生産されている一般的な太陽光パネルに、鉛は実際に使われているのでしょうか？ Wikipedia はテルル化鉛とセレン化鉛が光電池や赤外線検出器に使われるとしていますが、各記事では太陽光パネルには触れていません
検索すると、市場シェアがごく小さいフレキシブル太陽光パネルでの使用例しか出てこず、その多くは鉛の代わりにカドミウム化合物を使っていると理解しています。もちろんカドミウムも同様に有毒です
パネル組み立て用のはんだに鉛が使われるという資料もありますが、EU では RoHS により一部のニッチ用途を除き、はんだ用の鉛はかなり前から禁止されています。太陽光パネルが例外だったのなら、2026年にもそうなのか気になります。ビスマスが鉛と似た理由で一部のはんだに使われるのは事実です
リサイクルパネルに含まれる鉛は重量の約0.1%という資料があり、総含有量が子どもの遊び場用材料の安全基準より低いという資料もあります。総合すると、有毒な鉛という表現は古い情報か、恐怖・不確実性・疑念をあおる文句のように読めます
これは特殊相対性理論を量子物理学に統合したDirac 方程式を実験で再確認した結果です
論文 PDF: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...
超流動とボース＝アインシュタイン凝縮はどうでしょう？ ³He のような超流動には別の法則が適用されるのか、それとも超流動の法則が重い元素にも適用されるのか気になります。ここでも超流動量子重力モデルが必要に思えます
相対性理論は、金の色や鉛が電池材料に適している理由のように、重い元素が示すさまざまな特異な性質にも関わっています
量子的な側面はBohm 力学でも同等に予測できるのでしょうか？ それとも、2つの理論の予測が分かれて反証可能性が生まれる興味深いケースなのでしょうか？
特許庁職員として働いた後で、このような基盤技術の権利を先取りしたとは、非常に先見の明がありました。当時は「水星が太陽を隠す時刻が間違っていることに、どんな商業的価値があるのか」と思われたでしょうが、今では宇宙中の化学会社が水素ガスより複雑な物質を作るたびに、使用料の請求書を受け取ることになりそうです
一方、ガリレイの相対性原理は特許がとっくに切れているので、飛行機やほかの輸送手段の中でも静止基準系のように自由に動きながら使用料を払わずに済みます