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來源：科技日報

科技日報記者 劉霞

如果電子跑得像光一樣快，分子里的化學(xué)鍵會怎樣？美國布朗大學(xué)團隊在一項針對鉍—碳帶電分子的實驗中，首次親眼看到了答案：電子以接近光速飛奔，直接改變了化學(xué)鍵的“模樣”。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《科學(xué)》雜志。

狹義相對論告訴我們，物體的運動速度一旦接近光速，時空體驗就會發(fā)生奇妙變化。這種效應(yīng)常被認(rèn)為與粒子加速器或航天器有關(guān)，但事實上，在一些重原子內(nèi)部，電子也會以接近光速的速度移動，因而足以重塑分子內(nèi)的化學(xué)鍵。只不過，此前沒有人能在實驗中直接“看”到這一幕。這一次，科學(xué)家做到了。

團隊研究的鉍—碳帶電分子中，一個鉍原子與一個碳原子由三根化學(xué)鍵相連。團隊推測，其中一根是σ鍵（西格瑪鍵），另外兩根是π鍵。這兩種鍵的根本差別來自電子的量子特性：每個電子并非一顆緊實的小球，而是鋪展在空間某個區(qū)域的概率云——這些云若是“頭對頭”重疊，便形成σ鍵；若是“肩并肩”并排重疊，便形成π鍵。

實驗中，團隊繪制了整個分子的電子分布圖，相當(dāng)于給化學(xué)鍵拍了一張肖像。奇怪的是，他們并沒有看到純粹的σ型和π型分布，而是發(fā)現(xiàn)其中兩根鍵呈現(xiàn)出σ與π的混合模樣。

計算表明，這種混合，源于鉍核附近的電子感受到了極其強烈的電磁拉扯，以至于被加速到接近光速。正是這幾乎光速的運動，把原本規(guī)整的鍵型揉成了亦σ亦π的混合體。這種效應(yīng)，過去從未被實驗觀測到。

團隊表示，實驗觀測的關(guān)鍵一步，是在觀測電子之前先將分子冷卻到極低溫度，從而抑制了所有可能讓最終圖像變得模糊的熱振動和激發(fā)，讓鍵的輪廓纖毫畢現(xiàn)。

鉍—碳鍵的重塑，可能會影響有機鉍化合物在化學(xué)反應(yīng)中的表現(xiàn)。事實上，德國馬克斯·普朗克煤炭研究所科學(xué)家近期已證明，相對論效應(yīng)有助于讓這類重金屬成為化學(xué)過程的出色催化劑。

關(guān)鍵詞： 粒子 實驗 量子 化學(xué)鍵 碳原子