电子近光速运动重塑分子内化学键首次“看到”

来源：科技日报
记者：刘霞

当电子的看到速度逼近光速时，分子内部的电近化学键会发生何种剧变？美国布朗大学研究团队在针对铋—碳带电分子的最新实验中，给出了震撼答案：他们首次通过实验直接观测到，光速电子以接近光速的运动高速运动，直接改变了化学键的重塑空间形态。这一突破性成果已发表于最新一期《科学》（Science）杂志。分内

相对论效应在微观世界的化学直观呈现

狭义相对论指出，当物体运动速度接近光速时，键首时空体验将发生显著变化。看到以往，电近这种效应多被认为局限于粒子加速器或航天器等宏观或高能物理场景。光速然而，运动在重原子内部，重塑电子同样能以接近光速的分内速度运动，其产生的化学相对论效应足以重塑分子内的化学键结构。遗憾的是，受限于技术瓶颈，此前科学界始终无法在实验中直接“目睹”这一微观奇观。此次，布朗大学团队成功填补了这一空白。

铋—碳分子中的键型混合之谜

在实验对象——铋—碳带电分子中，一个铋原子与一个碳原子通过三根化学键相连。团队初步推测，其中一根为σ键（西格玛键），另外两根为π键（派键）。这两种化学键的本质区别源于电子的量子特性：电子并非经典的实心小球，而是以概率云的形式分布在空间中。
* σ键：由电子概率云“头对头”重叠形成；
* π键：由电子概率云“肩并肩”并排重叠形成。

实验发现：亦σ亦π的混合键型

通过绘制整个分子的电子分布图，研究人员相当于为化学键拍摄了一张高分辨率“肖像”。然而，图像显示的结果出乎意料：研究人员并未观察到纯粹的σ型或π型分布，而是发现其中两根化学键呈现出σ与π的混合形态。

理论计算揭示，这种混合形态的根源在于相对论效应。在铋原子核附近，电子受到极强的电磁场拉扯，被加速至接近光速。正是这种近乎光速的运动，扭曲了原本规整的电子云分布，将标准的σ键和π键揉合成了亦σ亦π的混合体。这是科学界首次通过实验观测到此类由相对论效应主导的化学键重塑现象。

关键技术：极低温冷却抑制热噪声

团队指出，实现这一观测的关键在于极低温冷却技术。在观测电子分布前，研究人员先将分子冷却至极低温度，从而有效抑制了可能导致图像模糊的热振动和激发态干扰。这一措施使得化学键的轮廓得以纤毫毕现，为高精度电子结构成像创造了必要条件。

科学意义：催化与有机铋化学的新视角

铋—碳键的相对论性重塑，可能对有机铋化合物在化学反应中的行为产生深远影响。事实上，德国马克斯·普朗克煤炭研究所的科学家近期已证实，相对论效应能够显著提升重金属在化学过程中的催化性能。这一发现不仅深化了人们对化学键本质的理解，也为设计基于重元素的高效催化剂提供了新的理论依据和实验支持。

(责任编辑：知识)