爱因斯坦相对论主宰重元素化学键，新研究显示

# 爱因斯坦的相对论支配着重元素中的化学键，新研究揭示 来源：https://www.brown.edu/news/2026-07-09/chemical-bonds-relativity **普罗维登斯，罗德岛州**\[布朗大学\] — 布朗大学的化学家们提供了直接证据，推翻了教科书关于重元素中三键如何运作的解释。 在发表于《科学》杂志的一项研究（https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285）中，研究人员展示证据表明，当原子核足够重时，爱因斯坦相对论所描述的原理会改变三键的结构——模糊了教科书三键中涉及的两种不同类型键之间的界限。布朗团队使用一种称为光电子能谱的技术，展示了碳与重元素铋形成的键具有相对论性键的特征标志。 "相对论在重元素中很重要这一想法自20世纪70年代以来就存在，"布朗大学化学教授、该研究的通讯作者王来生说。"但我们展示了直接的光谱证据，证明我们在高中学到的关于化学键的知识对于重元素并不成立。"一张对比相对论与非相对论键结构的图示 原子通过共享电子——那些围绕原子核运行的带负电粒子——形成化学键。每个原子共享一个电子形成一个键对。电子对的强负电荷吸引两个带正电的原子核，将它们结合在一起。一些元素共享多个电子对，形成双键或三键。 教科书中的三键图景涉及两种不同类型的键：一个σ键和两个π键。σ键是一个强烈的"头对头"键，沿着原子核之间的假想水平轴形成。两个π键是稍弱的"并排"键，环绕在σ键周围。 这种图景适用于较轻的元素，但在元素周期表底部，原子核变得更重时，情况就变得混乱。核质量的增加导致轨道电子加速到接近光速，此时爱因斯坦相对论规则变得重要。 在相对论性条件下，电子的自旋——指向上或下的磁矩——与电子的轨道不再彼此独立，这种状态称为自旋-轨道耦合。这种耦合改变了电子相互作用的规则，破坏了σ键和π键之间的严格分离。 "σ键和π键之间的边界现在有点模糊了，"王说。"我们仍然有三个键，但我们不再严格拥有σ键或π键。" 为了展示这种键杂化的证据，王和他的团队——由布朗大学博士生Deniz Kahraman和Jie Hui领导——形成了由铋和碳组成的分子。铋是一种重元素——在元素周期表中紧邻铅——相对论效应应该很重要。将分子冷却到接近绝对零度后，团队使用光电子能谱对其进行分析。该技术利用激光将单个电子从其分子中的位置击出。每个电子飞行的距离告诉研究人员它们键合的强度。 光电子能谱显示，碳-铋键不符合传统三键的一个σ键和两个π键的图景。相反，其结构看起来更像一个π键和两个混合的σ-π键。 王说，这种相对论性结构的实验验证可能促使化学教科书重写，特别是随着重元素——尤其是铋——引起更多研究兴趣。铋可能成为下一代太阳能电池中有毒铅的替代品。它也在与量子材料和量子计算相关的研究中引起了兴趣。 "也许这将成为新的教科书概念，因为我们正在处理越来越多关于重元素的重化学，"王说。 这项研究由美国国家科学基金会（CHE-2403841）和美国能源部（DE-SC0008501）资助。