微动态丨电子近光速运动重塑分子内化学键首次“看到”

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来源：科技日报

科技日报记者 刘霞

如果电子跑得像光一样快，分子里的化学键会怎样？美国布朗大学团队在一项针对铋—碳带电分子的实验中，首次亲眼看到了答案：电子以接近光速飞奔，直接改变了化学键的“模样”。相关论文发表于新一期《科学》杂志。

狭义相对论告诉我们，物体的运动速度一旦接近光速，时空体验就会发生奇妙变化。这种效应常被认为与粒子加速器或航天器有关，但事实上，在一些重原子内部，电子也会以接近光速的速度移动，因而足以重塑分子内的化学键。只不过，此前没有人能在实验中直接“看”到这一幕。这一次，科学家做到了。

团队研究的铋—碳带电分子中，一个铋原子与一个碳原子由三根化学键相连。团队推测，其中一根是σ键（西格玛键），另外两根是π键。这两种键的根本差别来自电子的量子特性：每个电子并非一颗紧实的小球，而是铺展在空间某个区域的概率云——这些云若是“头对头”重叠，便形成σ键；若是“肩并肩”并排重叠，便形成π键。

实验中，团队绘制了整个分子的电子分布图，相当于给化学键拍了一张肖像。奇怪的是，他们并没有看到纯粹的σ型和π型分布，而是发现其中两根键呈现出σ与π的混合模样。

计算表明，这种混合，源于铋核附近的电子感受到了极其强烈的电磁拉扯，以至于被加速到接近光速。正是这几乎光速的运动，把原本规整的键型揉成了亦σ亦π的混合体。这种效应，过去从未被实验观测到。

团队表示，实验观测的关键一步，是在观测电子之前先将分子冷却到极低温度，从而抑制了所有可能让最终图像变得模糊的热振动和激发，让键的轮廓纤毫毕现。

铋—碳键的重塑，可能会影响有机铋化合物在化学反应中的表现。事实上，德国马克斯·普朗克煤炭研究所科学家近期已证明，相对论效应有助于让这类重金属成为化学过程的出色催化剂。

关键词： 粒子 实验 量子 化学键 碳原子