아인슈타인의 상대성이론이 무거운 원소의 화학 결합을 바꾼다는 연구

• Brown University 연구진은 무거운 원자핵에서 상대론적 효과가 삼중 결합의 구조를 바꿔, 교과서의 시그마·파이 결합 구분이 더 이상 엄밀하게 성립하지 않는다는 직접적인 분광학 증거를 확보함
• 무거운 원소에서는 전자가 빛의 속도에 상당한 비율까지 빨라지며, 전자의 스핀과 궤도가 결합하는 스핀-궤도 결합이 전자 상호작용 규칙을 바꿔 시그마 결합과 파이 결합의 경계를 흐림
• 탄소와 비스무트로 만든 분자를 절대영도에 가깝게 냉각하고 광전자 분광법으로 측정한 결과, 결합은 전통적인 시그마 1개·파이 2개가 아니라 파이 1개·시그마-파이 혼성 결합 2개에 가까웠음
• 이번 결과는 1970년대부터 알려진 무거운 원소의 상대론적 효과를 직접 검증했으며, 삼중 결합을 두 결합 유형으로 엄격히 나누는 교과서 모델의 수정이 필요함을 보여줌
• 비스무트는 차세대 태양전지에서 독성 납을 대체할 후보이자 양자 재료·양자 컴퓨팅 연구 대상이어서, 상대론적 결합 구조의 확인은 무거운 원소 화학 연구에 직접 영향을 줄 수 있음

무거운 원소에서 달라지는 삼중 결합

• 원자는 음전하를 띤 전자를 공유해 결합하며, 각 원자가 전자 하나씩을 내놓아 만든 전자쌍이 양전하를 띤 두 원자핵을 끌어당김
  • 둘 이상의 전자쌍을 공유하면 이중 결합이나 삼중 결합이 형성됨
• 전통적인 삼중 결합 모델은 강한 정면 결합인 시그마 결합 1개와 상대적으로 약한 측면 결합인 파이 결합 2개로 구성됨
  • 시그마 결합은 두 원자핵 사이의 가상 수평축을 따라 형성됨
  • 파이 결합 2개는 시그마 결합 주위를 감싸는 형태로 만들어짐
• 이 모델은 가벼운 원소에는 적용되지만, 주기율표 아래쪽의 무거운 원소에서는 원자핵 질량이 커지면서 전자가 빛의 속도에 상당한 비율까지 빨라져 아인슈타인의 상대성이론이 중요해짐
• 상대론적 영역에서는 위쪽이나 아래쪽을 가리키는 전자의 자기 모멘트인 스핀과 전자 궤도가 더 이상 서로 독립적이지 않으며, 이를 스핀-궤도 결합이라고 함
  • 스핀-궤도 결합은 전자들의 상호작용 규칙을 바꿔 시그마 결합과 파이 결합의 엄격한 분리를 무너뜨림
  • 전체 결합 수는 여전히 3개지만, 각각을 시그마 또는 파이로 명확히 분류하기 어려움

탄소-비스무트 결합을 직접 측정한 방법과 결과

• Brown University 연구진은 Science에 발표한 연구에서 탄소와 무거운 원소인 비스무트로 분자를 만들어 상대론적 결합 혼성화를 조사함
  • 비스무트는 주기율표에서 납 바로 옆에 있어 상대론적 효과가 중요할 것으로 예상되는 무거운 원소임
  • 연구진은 분자를 절대영도에 가깝게 냉각한 뒤 광전자 분광법으로 분석함
• 광전자 분광법은 레이저로 분자 안의 전자를 하나씩 원래 위치에서 떼어내고, 전자가 날아간 거리를 이용해 결합 세기를 판별함
• 측정된 광전자 스펙트럼은 탄소-비스무트 결합이 시그마 1개와 파이 2개로 이뤄진 전통적인 삼중 결합 구조와 맞지 않음을 보여줌
  • 실제 구조는 파이 결합 1개와 시그마·파이 성격이 섞인 혼성 결합 2개에 더 가까웠음
• 무거운 원소에서 상대성이 중요하다는 발상은 1970년대부터 존재했지만, 이번 연구는 고등학교 화학에서 배우는 결합 모델이 무거운 원소에는 맞지 않는다는 직접적인 분광학 증거를 제공함
• 비스무트는 차세대 태양전지에서 독성 납을 대체할 가능성이 있으며 양자 재료와 양자 컴퓨팅 연구에서도 관심을 받고 있음
  • 무거운 원소를 더 많이 다루게 되면 상대론적 구조가 새로운 교과서 모델이 될 수 있음
• 연구는 미국 National Science Foundation의 CHE-2403841과 Department of Energy의 DE-SC0008501 지원을 받음