重元素では相対論効果が化学結合を支配することを実証(Einstein’s relativity rules chemical bonds in heavy elements, new research shows)

2026-07-09 ブラウン大学

ブラウン大学の研究チームは、重元素における化学結合の形成や強さを理解する上で、アインシュタインの相対性理論に基づく「相対論効果」が極めて重要な役割を果たすことを明らかにした。通常、化学結合は量子力学で説明されるが、金や水銀など原子番号の大きい元素では、内殻電子が光速に近い速度で運動するため、相対論効果によって電子軌道の収縮・拡張が生じ、結合性や化学的性質が大きく変化する。研究では、この効果を取り入れた高精度な理論計算により、従来は十分説明できなかった結合特性や反応性を再現し、重元素化学の理解を深める新たな知見を提示した。成果は、触媒や量子材料、新規機能性材料の設計に加え、希少金属や超重元素を含む化合物の予測にも役立つ可能性がある。今回の研究は、化学と物理学を結び付ける基礎理論を発展させ、原子レベルでの物質設計の高度化につながる成果として期待されている。

重元素では相対論効果が化学結合を支配することを実証(Einstein’s relativity rules chemical bonds in heavy elements, new research shows)

<関連情報>

CBi−分子イオンにおける古典的な三重結合の相対論的崩壊 Relativistic collapse of the classical triple bond in the CBi− molecular ion

Deniz Kahraman, Jie Hui , Xin-Yu Zhang, Neil A. Ellis, […] , and Lai-Sheng Wang
Science  Published:9 Jul 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aei1285

Abstract

The conventional framework for chemical bonding between main-group elements involves separate σ and π orbitals to describe multiple bonds. However, relativistic effects mix these orbitals in molecules containing heavy elements through spin–orbit coupling, leaving the total angular-momentum projection (ω) as the only good quantum number. Direct experimental evidence that relativistic effects change the σ-π bonding framework has remained elusive. Here, we probe the carbon-bismuth triple bond in the CBi anion using high-resolution cryogenic photoelectron spectroscopy, coupled with relativistic four-component Dirac-Coulomb coupled-cluster calculations. Even though the CBi anion is isovalent to the well-known CN species, we demonstrate that the traditional σ + 2π triple-bond picture collapses into a pure π-like |ω| = 3/2 and two |ω| = 1/2 Kramers pairs containing substantial σ/π mixing.

1701物理及び化学未分類
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