アインシュタイン相対性理論が重元素の化学結合を支配する、ブラウン大学が新研究を発表

相対性理論が重元素の三重結合の構造を変えることを、直接分光法で実証した。ブラウン大学の研究チームが炭素とビスマスの結合を分析し、教科書的な説明とは異なる構造を確認した。

相対性理論と化学結合

ブラウン大学の化学研究者チームは 2026年 7月 9日、Science 誌に発表した研究で、相対性理論が重元素の三重結合にいかに影響するかについて直接的な分光証拠を提供した。周期表の下部に向かうにつれて原子核が重くなり、軌道を回る電子が光速のかなりの割合まで加速する。相対論的領域では、電子のスピンと軌道がもはや独立していない「スピン軌道相互作用」という状態が生じ、電子がどのように相互作用できるかのルールが変わり、シグマ結合とパイ結合の厳密な分離が破壊される。

実験手法と発見内容

研究チームは光電子分光法を用いて、炭素とビスマス（周期表で鉛の隣に位置する重元素）から成る分子を調べた。分子は絶対零度付近まで冷却された。得られた光電子スペクトルは、炭素・ビスマス結合が従来の三重結合モデルに当てはまらないことを示した。代わりに 1つのパイ結合と 2つのハイブリッド・シグマ・パイ結合で構成された構造が観察された。

ラシェン・ワング教授は 「この相対性理論が重元素で重要であるという考え方は 1970年代から存在している」と述べた。一方で 「高校で習った化学結合に関する学説は重元素では成り立たないという直接的な分光証拠を示した」とも指摘した。さらに 「シグマ結合とパイ結合の境界が今や曖昧になった。依然として 3つの結合は存在するが、もはやシグマあるいはパイのいずれであるかは厳密には定まらない」と説明した。

実用的な応用

ビスマスは次世代太陽電池における有毒な鉛の代替材料としての可能性が注目されている。また量子材料および量子コンピューティングに関連する研究からも関心を集めている。本研究は米国国立科学財団（CHE-2403841）および米国エネルギー省（DE-SC0008501）の資金提供を受けた。

筆者の見立て

• 相対論的結合構造の実験的検証は化学教科書の改訂を促す可能性を示唆している。
• 重元素化学がより一般的になるにつれて、この知見が新たな教科書概念として確立される見通しを示唆している。

この記事は元記事の事実のみに基づいて自動生成されました。

出典

Brown University「Einstein's relativity rules chemical bonds in heavy elements, new research shows」https://www.brown.edu/news/2026-07-09/chemical-bonds-relativity