Nghiên cứu cho thấy thuyết tương đối của Einstein làm thay đổi liên kết hóa học của các nguyên tố nặng

 (brown.edu)
1 điểm bởi GN⁺ 5 giờ trước | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Nhóm nghiên cứu tại Brown University đã thu được bằng chứng quang phổ trực tiếp cho thấy hiệu ứng tương đối tính trong hạt nhân nguyên tử nặng làm thay đổi cấu trúc của liên kết ba, khiến cách phân biệt liên kết sigma và pi trong sách giáo khoa không còn đúng một cách nghiêm ngặt
  • Ở các nguyên tố nặng, electron tăng tốc tới một tỷ lệ đáng kể so với tốc độ ánh sáng, và tương tác spin-quỹ đạo kết hợp spin của electron với quỹ đạo của nó làm thay đổi các quy tắc tương tác electron, khiến ranh giới giữa liên kết sigma và liên kết pi trở nên mờ hơn
  • Kết quả đo bằng quang phổ quang electron sau khi làm lạnh một phân tử tạo từ carbon và bismuth xuống gần độ không tuyệt đối cho thấy liên kết này không phải kiểu truyền thống gồm 1 sigma và 2 pi, mà gần với 1 liên kết pi và 2 liên kết lai sigma-pi hơn
  • Kết quả lần này trực tiếp kiểm chứng các hiệu ứng tương đối tính ở nguyên tố nặng đã được biết đến từ thập niên 1970, đồng thời cho thấy cần sửa đổi mô hình trong sách giáo khoa vốn chia liên kết ba thành hai loại liên kết một cách cứng nhắc
  • Bismuth là ứng viên thay thế chì độc hại trong pin mặt trời thế hệ tiếp theo, đồng thời cũng là đối tượng nghiên cứu trong vật liệu lượng tử và điện toán lượng tử, nên việc xác nhận cấu trúc liên kết tương đối tính có thể tác động trực tiếp đến nghiên cứu hóa học các nguyên tố nặng

Liên kết ba thay đổi ở các nguyên tố nặng

  • Các nguyên tử liên kết với nhau bằng cách chia sẻ electron mang điện tích âm; cặp electron được tạo ra khi mỗi nguyên tử đóng góp một electron sẽ hút hai hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương lại gần nhau
    • Khi chia sẻ nhiều hơn một cặp electron, sẽ hình thành liên kết đôi hoặc liên kết ba
  • Mô hình liên kết ba truyền thống gồm 1 liên kết sigma là liên kết trực diện mạnh và 2 liên kết pi là các liên kết bên tương đối yếu hơn
    • Liên kết sigma được hình thành dọc theo trục ngang tưởng tượng giữa hai hạt nhân nguyên tử
    • Hai liên kết pi được tạo thành theo dạng bao quanh liên kết sigma
  • Mô hình này phù hợp với các nguyên tố nhẹ, nhưng với các nguyên tố nặng ở phần dưới bảng tuần hoàn, khi khối lượng hạt nhân tăng lên, electron tăng tốc tới một tỷ lệ đáng kể so với tốc độ ánh sáng nên thuyết tương đối của Einstein trở nên quan trọng
  • Trong miền tương đối tính, spin — mômen từ của electron chỉ hướng lên hoặc xuống — và quỹ đạo của electron không còn độc lập với nhau; hiện tượng này được gọi là tương tác spin-quỹ đạo
    • Tương tác spin-quỹ đạo làm thay đổi quy tắc tương tác giữa các electron, phá vỡ sự tách biệt nghiêm ngặt giữa liên kết sigma và liên kết pi
    • Tổng số liên kết vẫn là 3, nhưng khó có thể phân loại rõ từng liên kết là sigma hay pi

Cách đo trực tiếp liên kết carbon-bismuth và kết quả

  • Trong nghiên cứu công bố trên Science, nhóm nghiên cứu tại Brown University đã tạo ra các phân tử từ carbon và nguyên tố nặng bismuth để khảo sát sự lai hóa liên kết do hiệu ứng tương đối tính
    • Bismuth nằm ngay cạnh chì trong bảng tuần hoàn, nên là một nguyên tố nặng được dự đoán sẽ chịu ảnh hưởng mạnh của hiệu ứng tương đối tính
    • Nhóm nghiên cứu đã làm lạnh các phân tử xuống gần độ không tuyệt đối rồi phân tích bằng quang phổ quang electron
  • Quang phổ quang electron sử dụng laser để tách từng electron trong phân tử ra khỏi vị trí ban đầu, rồi dùng quãng đường electron bay đi để xác định độ bền của liên kết
  • Phổ quang electron đo được cho thấy liên kết carbon-bismuth không phù hợp với cấu trúc liên kết ba truyền thống gồm 1 sigma và 2 pi
    • Cấu trúc thực tế gần với 1 liên kết pi và 2 liên kết lai mang tính chất trộn giữa sigma và pi hơn
  • Ý tưởng rằng tính tương đối trở nên quan trọng ở các nguyên tố nặng đã tồn tại từ thập niên 1970, nhưng nghiên cứu lần này cung cấp bằng chứng quang phổ trực tiếp rằng mô hình liên kết được dạy trong hóa học phổ thông không còn phù hợp với các nguyên tố nặng
  • Bismuth có khả năng thay thế chì độc hại trong pin mặt trời thế hệ tiếp theo, đồng thời cũng đang thu hút sự quan tâm trong nghiên cứu vật liệu lượng tử và điện toán lượng tử
    • Khi con người xử lý ngày càng nhiều nguyên tố nặng hơn, cấu trúc tương đối tính có thể trở thành mô hình sách giáo khoa mới
  • Nghiên cứu nhận hỗ trợ từ National Science Foundation của Mỹ với mã CHE-2403841 và Department of Energy với mã DE-SC0008501

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 5 giờ trước
Ý kiến Hacker News

  • Do hiệu ứng tương đối tính, thủy ngân là chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Các electron bên trong chuyển động với tốc độ khoảng 60% tốc độ ánh sáng, khiến chúng hút các electron bên ngoài mạnh hơn và làm cho việc hình thành liên kết cũng như trạng thái rắn trở nên khó khăn hơn
    Tuy vậy, tôi không phải nhà vật lý nên xin đừng tin nguyên xi cách giải thích này để thiết kế tàu vũ trụ

    • Vậy thì câu hỏi thú vị hơn là tại sao các nguyên tố lân cận thủy ngân trong bảng tuần hoàn lại không xuất hiện hiện tượng tương tự
    • Mặt khác, mọi quark trong các nguyên tử thông thường đều chuyển động với tốc độ khoảng 0.99995c

  • Điều thú vị là trong miền tương đối tính xuất hiện liên kết spin-quỹ đạo, nơi spin và quỹ đạo của electron không còn độc lập. Tôi mới nghe về liên kết sigma và liên kết pi lần đầu
    https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285

    • Liên kết sigma và liên kết pi thường được dạy trong AP Chemistry, nhưng phần vì sao hoặc chúng hoạt động như thế nào thì thường bị lướt qua khá nhiều. Nguyên tử càng nặng thì hình dạng đám mây electron hóa trị càng phức tạp, và khi từ hai nguyên tử trở lên liên kết với nhau thì còn phức tạp hơn nhiều
    • Câu được trích dẫn, nói nghiêm ngặt, là sai. Thứ gây ra hiệu ứng không phải là khối lượng hạt nhân nguyên tử tăng lên, mà là điện tích hạt nhân lớn hơn và sự thay đổi của thế Coulomb đi kèm
    • Nếu gán điện tích dương cho một sao neutron, liệu electron có thể quay quanh nó không?

  • Chẳng phải việc thuyết tương đối ảnh hưởng đến quỹ đạo electron của các nguyên tố nặng đã được biết đến từ lâu rồi sao? Tôi đã học điều này trong lớp vật lý vào giữa những năm 2000, và chuyện màu của vàng bắt nguồn từ hiệu ứng tương đối tính cũng đã được biết đến
    https://physics.aps.org/articles/v10/s3

    • Có vẻ nghiên cứu này lần đầu xác nhận điều đó bằng quan sát thực nghiệm trực tiếp của orbital. Ý tưởng rằng thuyết tương đối quan trọng với các nguyên tố nặng đã có từ thập niên 1970, nhưng nghiên cứu này đưa ra bằng chứng quang phổ trực tiếp cho thấy các mô hình liên kết hóa học học ở phổ thông không phù hợp với nguyên tố nặng
    • Nói chung, liên kết spin-quỹ đạo và các hiệu ứng tương đối tính ở nguyên tố nặng không phải là điều mới, và cũng đã được nghiên cứu quan trọng ở uranium và plutonium. Chỉ cần tính đơn giản cũng thấy một số electron đạt đến vận tốc tương đối tính
      Phát hiện lần này gần với một trường hợp mới xuất hiện trong một liên kết cụ thể của một ion cụ thể. Đọc trực tiếp bài báo sẽ tốt hơn là đọc thông cáo báo chí cường điệu của trường đại học, và ngay từ phần tóm tắt của biên tập viên đã nói rằng “từ lâu đã rõ rằng khi nguyên tử đủ nặng để thuyết tương đối can dự, mô hình này bắt đầu lung lay”
    • 25 năm trước tôi cũng đã học rằng thuyết tương đối chiếm tỷ trọng lớn trong các phương trình hóa lượng tử của nguyên tử vàng. Khái niệm này đã cũ, còn tiêu đề thì dễ gây hiểu lầm
    • Trọng tâm của bài báo có vẻ cụ thể hơn vào hiệu ứng tương đối tính trong liên kết ba hơn là các hiệu ứng tương đối tính nói chung
    • Thậm chí đã có bài Wikipedia liên quan
      https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

  • Sự xuất chúng của Einstein vượt ra ngoài khoa học
    <https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
    Ông tự hào về bản sắc Do Thái của mình, nhưng cũng tự hỏi liệu nếu không sinh ra trong cuộc đời như thế thì ông có là người Do Thái hay không. Tôi không đồng ý nhiều với thuyết định mệnh triệt để của ông, nhưng họ của ông nổi tiếng hơn họ của tôi, hay gần như của bất kỳ ai
    Tôi lấy bằng hóa dược vào giữa những năm 2000, và thật khó hình dung giáo dục khoa học ngày nay có thể tuyệt vời đến mức nào nhờ tài liệu trực quan. Giờ đây chỉ với một cú nhấp trong trình duyệt web, không cần phần mềm riêng, bạn đã có thể xem mô hình có tính tương tác cao của mọi nguyên tố. Hồi đó tôi phải nhìn các bản in 2D trong thư viện rồi tự xoay cấu trúc hóa hữu cơ trong đầu bằng trực giác không gian, vậy mà vẫn được điểm A

  • Cụm từ “bismuth có thể thay thế chì độc hại trong pin mặt trời thế hệ tiếp theo” khiến tôi nghi ngờ. Liệu chì có thực sự được dùng trong các tấm pin mặt trời thông thường đang sản xuất hàng loạt hiện nay không? Wikipedia có nói chì telluride và chì selenide được dùng trong pin quang điện và đầu dò hồng ngoại, nhưng từng bài viết lại không nhắc đến tấm pin mặt trời
    Tìm kiếm thì chỉ thấy việc sử dụng trong tấm pin mặt trời dẻo có thị phần rất nhỏ, và tôi hiểu rằng nhiều loại trong số đó dùng hợp chất cadmium thay vì chì. Tất nhiên cadmium cũng độc tương tự
    Cũng có tài liệu nói chì được dùng trong mối hàn để lắp ráp tấm pin, nhưng ở EU thì RoHS đã cấm chì trong hàn từ lâu, trừ một số ứng dụng ngách. Nếu tấm pin mặt trời là ngoại lệ thì tôi cũng muốn biết đến năm 2026 điều đó còn đúng không. Đúng là bismuth được dùng trong một số loại hợp kim hàn vì những lý do khá giống với chì
    Có tài liệu nói chì trong các tấm pin tái chế chiếm khoảng 0,1% khối lượng, và cũng có tài liệu nói tổng hàm lượng của nó thấp hơn tiêu chuẩn an toàn đối với vật liệu sân chơi trẻ em. Tổng hợp lại, cách gọi chì độc hại nghe như thông tin lỗi thời hoặc một kiểu diễn đạt nhằm kích động sợ hãi, bất định và nghi ngờ

  • Đây là kết quả thực nghiệm một lần nữa xác nhận phương trình Dirac, vốn tích hợp thuyết tương đối hẹp vào vật lý lượng tử
    PDF bài báo: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...

  • Siêu chảy và ngưng tụ Bose-Einstein thì sao? Tôi thắc mắc liệu các quy luật khác có áp dụng cho các siêu chảy như ³He hay không, hoặc liệu các quy luật siêu chảy có áp dụng cho nguyên tố nặng không. Có vẻ ở đây cũng cần đến mô hình hấp dẫn lượng tử siêu chảy

  • Thuyết tương đối cũng liên quan đến nhiều tính chất lạ khác mà các nguyên tố nặng thể hiện, chẳng hạn như màu của vàng hay lý do chì phù hợp làm vật liệu pin

  • Liệu khía cạnh lượng tử này có thể được cơ học Bohm dự đoán tương đương hay không? Hay đây là một trường hợp thú vị nơi dự đoán của hai lý thuyết tách ra, tạo ra khả năng bị bác bỏ?

    • Cơ học Bohm là phi tương đối tính nên ngay từ đầu đã không phù hợp với các hiện tượng tương đối tính. Nói chung nó đưa ra dự đoán giống cơ học lượng tử phi tương đối tính, tức phương trình Schrödinger, nhưng do tính phi định xứ của sóng dẫn nên rất khó tìm được một phiên bản tương đối tính tương đương với phương trình Dirac

  • Việc ông từng làm ở văn phòng bằng sáng chế rồi lại đi đăng ký trước quyền đối với công nghệ nền tảng kiểu này đúng là cực kỳ có tầm nhìn. Hồi đó người ta hẳn nghĩ “việc tính sai thời điểm Sao Thủy che Mặt Trời thì có giá trị thương mại gì chứ”, nhưng giờ thì mọi công ty hóa chất trong vũ trụ có vẻ sắp phải nhận hóa đơn phí bản quyền mỗi khi tạo ra thứ gì phức tạp hơn khí hydro
    Trong khi đó, thuyết tương đối Galileo thì bằng sáng chế đã hết hạn từ lâu nên có thể tự do sử dụng trên máy bay hay các phương tiện vận tải khác, di chuyển như trong hệ quy chiếu đứng yên mà không phải trả phí bản quyền

    • Chúng ta đã dùng tiền thuế để tài trợ cho nghiên cứu thuần túy, nên việc còn thu phí bản quyền với những thành quả không cạnh tranh được để kiếm tiền là điều không công bằng