Einstein’ın görelilik teorisinin ağır elementlerin kimyasal bağlarını değiştirdiğini gösteren araştırma

• Brown University araştırmacıları, ağır atom çekirdeklerinde görelilik etkilerinin üçlü bağın yapısını değiştirdiğine ve ders kitaplarındaki sigma–pi bağ ayrımının artık katı biçimde geçerli olmadığına dair doğrudan spektroskopik kanıt elde etti
• Ağır elementlerde elektronlar ışık hızının kayda değer bir oranına kadar hızlanırken, elektronun spini ile yörüngesini birleştiren spin-yörünge etkileşimi elektronik etkileşim kurallarını değiştirerek sigma ve pi bağları arasındaki sınırı bulanıklaştırıyor
• Karbon ve bizmuttan oluşan moleküller mutlak sıfıra yakın sıcaklığa kadar soğutulup fotoelektron spektroskopisi ile ölçüldüğünde, bağın geleneksel olarak 1 sigma ve 2 pi değil, 1 pi ve 2 sigma-pi hibrit bağa daha yakın olduğu görüldü
• Bu sonuç, 1970’lerden beri bilinen ağır elementlerdeki görelilik etkilerini doğrudan doğrularken, üçlü bağı iki bağ türüne katı biçimde ayıran ders kitabı modelinin revize edilmesi gerektiğini gösteriyor
• Bizmut, yeni nesil güneş pillerinde zehirli kurşunun yerine geçebilecek bir aday ve kuantum malzemeleri ile kuantum bilişim araştırmalarında da inceleniyor; bu nedenle görelilik temelli bağ yapısının doğrulanması ağır element kimyası çalışmalarını doğrudan etkileyebilir

---

Ağır elementlerde değişen üçlü bağ

• Atomlar, negatif yüklü elektronları paylaşarak bağ kurar; her atomun birer elektron vererek oluşturduğu elektron çifti, pozitif yüklü iki atom çekirdeğini birbirine çeker
  • Birden fazla elektron çifti paylaşıldığında çift bağ ya da üçlü bağ oluşur
• Geleneksel üçlü bağ modeli, güçlü bir uç uca bağ olan 1 sigma bağı ile görece daha zayıf 2 yanal pi bağından oluşur
  • Sigma bağı, iki atom çekirdeği arasındaki varsayımsal yatay eksen boyunca oluşur
  • İki pi bağı ise sigma bağının etrafını saracak şekilde oluşur
• Bu model hafif elementler için geçerli olsa da, periyodik tablonun alt kısmındaki ağır elementlerde atom çekirdeğinin kütlesi büyüdükçe elektronlar ışık hızının kayda değer bir oranına kadar hızlanır ve Einstein’ın görelilik teorisi önem kazanır
• Görelilik rejiminde, elektronun yukarı ya da aşağı yönünü belirleyen manyetik momenti olan spin ile elektron yörüngesi artık birbirinden bağımsız değildir; buna spin-yörünge etkileşimi denir
  • Spin-yörünge etkileşimi, elektronların etkileşim kurallarını değiştirerek sigma ve pi bağları arasındaki katı ayrımı ortadan kaldırır
  • Toplam bağ sayısı hâlâ 3 olsa da, her birini sigma ya da pi olarak açık biçimde sınıflandırmak zorlaşır

Karbon-bizmut bağının doğrudan ölçümü: yöntem ve sonuçlar

• Brown University araştırmacıları, Science’ta yayımlanan çalışmada karbon ile ağır bir element olan bizmuttan moleküller oluşturarak görelilik kaynaklı bağ hibritleşmesini inceledi
  • Bizmut, periyodik tabloda kurşunun hemen yanında yer aldığı için görelilik etkilerinin önemli olmasının beklendiği ağır bir elementtir
  • Araştırmacılar molekülleri mutlak sıfıra yakın sıcaklığa kadar soğuttuktan sonra fotoelektron spektroskopisiyle analiz etti
• Fotoelektron spektroskopisi, lazerle molekül içindeki elektronları tek tek bulundukları yerden koparıp çıkarır ve elektronların kat ettiği mesafeyi kullanarak bağın gücünü belirler
• Ölçülen fotoelektron spektrumu, karbon-bizmut bağının 1 sigma ve 2 pi’den oluşan geleneksel üçlü bağ yapısıyla uyuşmadığını gösterdi
  • Gerçek yapı, 1 pi bağı ve sigma ile pi karakterlerinin karıştığı 2 hibrit bağa daha yakındı
• Ağır elementlerde göreliliğin önemli olduğu fikri 1970’lerden beri vardı, ancak bu çalışma lise kimyasında öğretilen bağ modelinin ağır elementler için geçerli olmadığını gösteren doğrudan spektroskopik kanıt sunuyor
• Bizmut, yeni nesil güneş pillerinde zehirli kurşunun yerini alma potansiyeline sahip ve kuantum malzemeleri ile kuantum bilişim araştırmalarında da ilgi görüyor
  • Ağır elementlerle daha fazla çalışıldıkça, görelilik temelli yapı yeni ders kitabı modeli hâline gelebilir
• Araştırma, ABD National Science Foundation’ın CHE-2403841 ve Department of Energy’nin DE-SC0008501 numaralı destekleriyle yürütüldü

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Cıvanın oda sıcaklığında sıvı olmasının nedeni görelilik etkileridir. İç elektronlar ışık hızının yaklaşık %60’ıyla hareket ederken dış elektronları daha güçlü çeker; bu da bağ kurmayı ve katı oluşumunu zorlaştırır.
  Yine de fizikçi değilim; uzay gemisi tasarlarken bu açıklamaya aynen güvenmeyin.

  • O hâlde daha ilginç soru şu: cıvaya komşu elementlerde periyodik tabloda neden aynı olgu görülmüyor?
  • Öte yandan sıradan tüm atomların içindeki kuarklar yaklaşık 0,99995c hızla hareket eder.

• Görelilik bölgesinde elektronun spini ile yörüngesinin bağımsız olmadığı spin-yörünge bağlaşımı ortaya çıkması ilginç. Sigma bağı ya da pi bağını ilk kez duydum.
  https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285

  • Sigma bağı ve pi bağı genelde AP Chemistry’de ele alınır ama neden ya da nasıl çalıştığı büyük ölçüde geçiştirilir. Atom ağırlaştıkça değerlik elektron bulutunun biçimi karmaşıklaşır; iki ya da daha fazla atom bağlandığında ise çok daha karmaşık hâle gelir.
  • Alıntılanan cümle, teknik olarak bakıldığında yanlıştır. Etkiyi yaratan artan atom çekirdeği kütlesi değil, büyüyen çekirdek yükü ve buna bağlı Coulomb potansiyelindeki değişimdir.
  • Bir nötron yıldızına pozitif yük verilirse elektronlar onun etrafında yörüngeye girebilir mi?

• Ağır elementlerin elektron yörüngelerine göreliliğin etki ettiği zaten bilinmiyor muydu? 2000’lerin ortasında fizik dersinde de öğrenmiştik; altının renginin görelilik etkilerinden kaynaklandığı da biliniyor.
  https://physics.aps.org/articles/v10/s3

  • Bu çalışma, bunu orbitallerin doğrudan deneysel gözlemiyle ilk kez doğrulamış gibi görünüyor. Ağır elementlerde göreliliğin önemli olduğu fikri 1970’lerden beri vardı; ancak lisede öğrendiğimiz kimyasal bağ modelinin ağır elementlere uymadığına dair doğrudan spektroskopik kanıt sunmuşlar.
  • Genel olarak ağır elementlerde spin-yörünge bağlaşımı ve görelilik etkileri yeni değil; uranyum ve plütonyumda da önemli bir araştırma konusuydu. Basit bir hesap bile bazı elektronların görelilik hızlarına ulaştığını gösterir.
    Bu keşif daha çok belirli bir iyonun belirli bir bağında ortaya çıkan yeni bir vakaya benziyor. Üniversitenin abartılı basın bülteni yerine makaleyi doğrudan okumak daha iyi; editör özeti de daha baştan “atom yeterince ağır olup görelilik devreye girdiğinde bu modelin sarsılmaya başladığı uzun zamandır açıktı” diyor.
  • 25 yıl önce de altın atomunun kuantum kimyası denklemlerinde göreliliğin büyük payı olduğunu öğrenmiştim. Kavramın kendisi eski; başlık yanıltıcı.
  • Makalenin odağı, genel görelilik etkilerinden çok üçlü bağlardaki görelilik etkilerine daha özel olarak yönelmiş gibi.
  • İlgili Wikipedia maddesi de zaten var.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

• Einstein’ın üstünlüğü bilimin ötesine geçer.
  <https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
  Yahudi kimliğiyle gurur duysa da, böyle bir hayata doğmamış olsaydı gerçekten Yahudi olup olmayacağını sorguladı. Onun katı kaderciliğine pek katılmıyorum ama soyadı, benim soyadımdan da neredeyse herkesinkinden de çok daha yaygın biliniyor.
  2000’lerin ortasında tıbbi kimya diplomamı aldım; bugünün görsel araçlarıyla fen eğitiminin ne kadar şaşırtıcı hâle gelebileceğini hayal etmek zor. Artık tüm elementlerin son derece etkileşimli modellerini, ayrı bir yazılım olmadan web tarayıcısında tek tıkla görebiliyorsunuz. O dönemde ise kütüphanedeki iki boyutlu basılı materyallere bakıp organik kimya yapılarını zihnimdeki uzamsal algıyla döndürmek zorundaydım; buna rağmen A aldım.

• “Bizmut, yeni nesil güneş hücrelerinde toksik kurşunun yerini alabilir” ifadesi kafamı kurcalıyor. Bugün seri üretilen sıradan güneş panellerinde gerçekten kurşun kullanılıyor mu? Wikipedia, kurşun tellürür ve kurşun selenürün fotovoltaiklerde ve kızılötesi dedektörlerde kullanıldığını söylüyor; ancak ilgili maddeler güneş panellerinden söz etmiyor.
  Arayınca yalnızca pazar payı çok küçük olan esnek güneş panellerindeki kullanımlar çıkıyor; bildiğim kadarıyla bunların önemli bir kısmı kurşun yerine kadmiyum bileşikleri kullanıyor. Elbette kadmiyum da aynı şekilde zehirli.
  Panel montajında kullanılan lehimde kurşun bulunduğunu söyleyen kaynaklar da var; ancak AB’de RoHS, bazı niş kullanımlar dışında lehimde kurşunu uzun zamandır yasaklıyor. Güneş panelleri istisnaysa, bunun 2026’da da geçerli olup olmadığını merak ediyorum. Bizmutun kurşuna benzer nedenlerle bazı lehimlerde kullanıldığı doğru.
  Geri dönüştürülen panellerde kurşunun ağırlığın yaklaşık %0,1’i olduğuna dair kaynaklar var; toplam içeriğin çocuk oyun alanı malzemeleri için güvenlik sınırlarının altında olduğunu söyleyen kaynaklar da var. Toparlarsak, toksik kurşun ifadesi ya eski bilgiye dayanıyor ya da korku, belirsizlik ve şüphe yaymaya dönük bir ifade gibi okunuyor.

• Bu, özel göreliliği kuantum fiziğine entegre eden Dirac denkleminin deneyle yeniden doğrulanmış hâlidir.
  Makale PDF’i: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...

• Süperakışkanlar ve Bose-Einstein yoğuşması için durum ne? ³He gibi süperakışkanlara başka yasalar mı uygulanıyor, yoksa süperakışkan yasaları ağır elementler için de geçerli mi, merak ediyorum. Burada da süperakışkan kuantum kütleçekim modeline ihtiyaç var gibi görünüyor.

• Görelilik teorisi, altının rengi ya da kurşunun pil malzemesi olarak uygun olmasının nedeni gibi ağır elementlerde görülen birçok tuhaf özellikte de rol oynar.

• Kuantum yönü Bohm mekaniğiyle de eşdeğer şekilde öngörülebilir mi? Yoksa iki teorinin öngörüleri ayrışıp yanlışlanabilirlik sağlayan ilginç bir durum mu ortaya çıkar?

  • Bohm mekaniği görelilik dışıdır; bu yüzden baştan beri görelilik olgularına uygun değildi. Genel olarak görelilik dışı kuantum mekaniğiyle, yani Schrödinger denklemiyle aynı öngörüleri yapar; ancak pilot dalganın yerel olmayanlığı nedeniyle Dirac denklemiyle eşdeğer görelilikçi bir sürüm bulmak zor olmuştur.

• Patent ofisinde çalıştıktan sonra böyle temel bir teknolojinin haklarını önceden kapatması gerçekten büyük ileri görüşlülük. O dönemde “Merkür’ün Güneş’i örtme zamanının yanlış çıkmasının ne ticari değeri olabilir ki” denmiş olabilir; ama şimdi evrendeki tüm kimya şirketleri hidrojen gazından daha karmaşık bir madde ürettiklerinde fatura alacak gibi görünüyor.
  Buna karşılık Galilei göreliliğinin patenti çoktan sona erdi; bu sayede uçaklarda ya da başka taşıtlarda, durağan referans çerçevesindeymiş gibi özgürce hareket edip kullanım ücreti ödemiyoruz.

  • Zaten temel araştırmaları vergilerle finanse ediyoruz; ticarileştirilemeyen, rekabet dışı sonuçlara bir de kullanım ücreti koymak haksızlık.