電子近光速運動重塑分子內化學鍵首次“看到”

如果電子跑得像光一樣快，分子里的化學鍵會怎樣？美國布朗大學團隊在一項針對鉍—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，直接改變了化學鍵的“模樣”。相關論文發表于新一期《科學》雜志。

狹義相對論告訴我們，物體的運動速度一旦接近光速，時空體驗就會發生奇妙變化。這種效應常被認為與粒子加速器或航天器有關，但事實上，在一些重原子內部，電子也會以接近光速的速度移動，因而足以重塑分子內的化學鍵。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，相當于給化學鍵拍了一張肖像。奇怪的是，他們并沒有看到純粹的σ型和π型分布，而是發現其中兩根鍵呈現出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。正是這近乎光速的運動，把原本規整的鍵型揉成了亦σ亦π的混合體。這種效應，過去從未被實驗觀測到。

團隊表示，實驗觀測的關鍵一步，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，讓鍵的輪廓纖毫畢現。

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