Einstein के सापेक्षता सिद्धांत से भारी तत्वों के रासायनिक बंध बदलते हैं, ऐसा बताने वाला शोध

 (brown.edu)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 5 시간 전 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • Brown University के शोधकर्ताओं ने प्रत्यक्ष spectroscopic evidence हासिल किया है कि भारी atomic nuclei में relativistic effects triple bond की संरचना बदल देते हैं, जिससे textbooks में sigma और pi bonds के बीच किया जाने वाला भेद अब सख्ती से लागू नहीं रहता
  • भारी तत्वों में electrons प्रकाश की गति के काफी बड़े हिस्से तक तेज हो जाते हैं, और electron के spin और orbit को जोड़ने वाली spin-orbit coupling electron interactions के नियम बदल देती है, जिससे sigma bond और pi bond की सीमा धुंधली हो जाती है
  • carbon और bismuth से बने molecules को absolute zero के करीब ठंडा कर photoelectron spectroscopy से मापने पर पता चला कि bond पारंपरिक 1 sigma और 2 pi bonds जैसा नहीं, बल्कि 1 pi bond और 2 sigma-pi hybrid bonds जैसा था
  • यह परिणाम 1970 के दशक से ज्ञात भारी तत्वों के relativistic effects की प्रत्यक्ष पुष्टि करता है और दिखाता है कि triple bond को दो bond types में सख्ती से बांटने वाले textbook model में बदलाव की जरूरत है
  • bismuth अगली पीढ़ी के solar cells में toxic lead का विकल्प बनने का उम्मीदवार है और quantum materials व quantum computing research का भी विषय है, इसलिए relativistic bonding structure की पुष्टि heavy-element chemistry research पर सीधे असर डाल सकती है

भारी तत्वों में बदलने वाला triple bond

  • atoms negative charge वाले electrons साझा करके bond बनाते हैं, और हर atom द्वारा एक-एक electron देने से बनी electron pair positive charge वाले दो atomic nuclei को आकर्षित करती है
    • दो या अधिक electron pairs साझा करने पर double bond या triple bond बनता है
  • पारंपरिक triple bond model में एक मजबूत आमने-सामने वाला sigma bond और दो अपेक्षाकृत कमजोर side-on pi bonds होते हैं
    • sigma bond दो atomic nuclei के बीच की काल्पनिक horizontal axis के साथ बनता है
    • दो pi bonds sigma bond के चारों ओर लिपटे हुए रूप में बनते हैं
  • यह model हल्के तत्वों पर लागू होता है, लेकिन periodic table के निचले हिस्से में मौजूद भारी तत्वों में atomic nucleus का mass बढ़ने पर electrons प्रकाश की गति के काफी बड़े हिस्से तक तेज हो जाते हैं, जिससे Einstein का सापेक्षता सिद्धांत महत्वपूर्ण हो जाता है
  • relativistic क्षेत्र में electron का magnetic moment, यानी spin, जो ऊपर या नीचे की ओर इशारा करता है, और electron orbit अब एक-दूसरे से स्वतंत्र नहीं रहते; इसे spin-orbit coupling कहा जाता है
    • spin-orbit coupling electrons के interaction rules बदल देती है और sigma bond व pi bond के कठोर अलगाव को तोड़ देती है
    • कुल bonds की संख्या अब भी 3 रहती है, लेकिन हर एक को स्पष्ट रूप से sigma या pi के रूप में वर्गीकृत करना कठिन होता है

carbon-bismuth bond को सीधे मापने का तरीका और परिणाम

  • Brown University के शोधकर्ताओं ने Science में प्रकाशित शोध में carbon और भारी तत्व bismuth से molecule बनाकर relativistic bond hybridization की जांच की
    • bismuth periodic table में lead के ठीक बगल में है, इसलिए यह ऐसा भारी तत्व है जिसमें relativistic effects महत्वपूर्ण होने की उम्मीद है
    • शोधकर्ताओं ने molecules को absolute zero के करीब ठंडा किया और फिर photoelectron spectroscopy से उनका analysis किया
  • photoelectron spectroscopy में laser के जरिए molecule के electrons को एक-एक करके उनकी मूल जगह से अलग किया जाता है, और electron कितनी दूर गया इसका उपयोग bond strength तय करने के लिए किया जाता है
  • मापा गया photoelectron spectrum दिखाता है कि carbon-bismuth bond 1 sigma और 2 pi bonds से बनी पारंपरिक triple-bond structure से मेल नहीं खाता
    • वास्तविक structure 1 pi bond और sigma-pi character मिले हुए 2 hybrid bonds के ज्यादा करीब था
  • भारी तत्वों में relativity महत्वपूर्ण है, यह विचार 1970 के दशक से मौजूद है, लेकिन यह research direct spectroscopic evidence देती है कि high school chemistry में पढ़ाया जाने वाला bonding model भारी तत्वों पर फिट नहीं बैठता
  • bismuth में अगली पीढ़ी के solar cells में toxic lead की जगह लेने की संभावना है और quantum materials व quantum computing research में भी इसे लेकर रुचि है
    • जैसे-जैसे भारी तत्वों पर अधिक काम होगा, relativistic structures नए textbook model बन सकते हैं
  • research को U.S. National Science Foundation के CHE-2403841 और Department of Energy के DE-SC0008501 से support मिला

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 5 시간 전
Hacker News की राय

  • सापेक्षिक प्रभावों की वजह से पारा कमरे के तापमान पर द्रव होता है। अंदरूनी इलेक्ट्रॉन प्रकाश की गति के लगभग 60% पर चलते हैं, जिससे वे बाहरी इलेक्ट्रॉनों को और ज़्यादा मज़बूती से खींचते हैं और बंधन व ठोस संरचना बनना कठिन हो जाता है
    हालांकि मैं भौतिक विज्ञानी नहीं हूं, इसलिए अंतरिक्षयान डिज़ाइन करते समय इस व्याख्या पर ज्यों-का-त्यों भरोसा न करें

    • तो फिर ज़्यादा दिलचस्प सवाल यह है कि आवर्त सारणी में पारे के पड़ोसी तत्वों में यही घटना क्यों नहीं दिखती
    • दूसरी ओर, सामान्य परमाणुओं के भीतर सभी quark लगभग 0.99995c की गति से चलते हैं

  • यह बात दिलचस्प है कि सापेक्षिक क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन का spin और orbit स्वतंत्र नहीं रहते और spin-orbit coupling बनती है। sigma bond और pi bond के बारे में मैंने पहली बार सुना
    https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285

    • sigma bond और pi bond आम तौर पर AP Chemistry में पढ़ाए जाते हैं, लेकिन वे क्यों या कैसे काम करते हैं, यह अक्सर काफ़ी सतही ढंग से बताया जाता है। परमाणु जितने भारी होते हैं, valence electron cloud का आकार उतना जटिल हो जाता है, और जब दो या अधिक परमाणु बंध बनाते हैं तो चीज़ें और भी जटिल हो जाती हैं
    • उद्धृत वाक्य तकनीकी रूप से ग़लत है। प्रभाव का कारण बढ़ा हुआ परमाणु नाभिक द्रव्यमान नहीं, बल्कि बढ़ा हुआ नाभिकीय आवेश और उससे जुड़ा Coulomb potential में बदलाव है
    • अगर किसी neutron star को धनात्मक आवेश दिया जाए, तो क्या इलेक्ट्रॉन उसके चारों ओर परिक्रमा कर सकते हैं?

  • क्या यह पहले से ज्ञात नहीं था कि भारी तत्वों की इलेक्ट्रॉन कक्षाओं पर सापेक्षिकता असर डालती है? 2000 के दशक के मध्य की भौतिकी कक्षाओं में भी यह पढ़ाया गया था, और यह भी जाना जाता है कि सोने का रंग सापेक्षिक प्रभावों से आता है
    https://physics.aps.org/articles/v10/s3

    • लगता है कि इस अध्ययन ने पहली बार इसे orbital के प्रत्यक्ष प्रायोगिक अवलोकन से पुष्टि की है। भारी तत्वों में सापेक्षिकता महत्वपूर्ण है, यह विचार 1970 के दशक से था, लेकिन इसने प्रत्यक्ष spectroscopy सबूत दिया कि स्कूल में पढ़ाए जाने वाले chemical bonding models भारी तत्वों पर सही नहीं बैठते
    • सामान्य रूप से भारी तत्वों में spin-orbit coupling और सापेक्षिक प्रभाव कोई नई बात नहीं हैं, और uranium व plutonium में इनका महत्व अच्छी तरह अध्ययन किया गया है। साधारण गणना से भी पता चलता है कि कुछ इलेक्ट्रॉन सापेक्षिक गति तक पहुंचते हैं
      यह खोज अधिकतर किसी विशेष ion के विशेष bond में दिखे नए मामले जैसी है। विश्वविद्यालय की बढ़ा-चढ़ाकर लिखी press release से बेहतर है कि पेपर सीधे पढ़ा जाए; editor summary भी शुरू में ही कहती है कि “जब परमाणु काफ़ी भारी हो जाते हैं और सापेक्षिकता हस्तक्षेप करने लगती है, तब यह मॉडल डगमगाने लगता है—यह बात काफ़ी पहले से स्पष्ट थी”
    • 25 साल पहले भी मैंने पढ़ा था कि सोने के परमाणु की quantum chemistry equations में सापेक्षिकता का बड़ा हिस्सा होता है। अवधारणा पुरानी है और शीर्षक भ्रामक है
    • पेपर का फोकस सामान्य सापेक्षिक प्रभावों से ज़्यादा विशेष रूप से triple bond में सापेक्षिक प्रभावों पर लगता है
    • संबंधित Wikipedia लेख पहले से मौजूद है
      https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

  • Einstein की असाधारणता विज्ञान से आगे तक जाती है
    <https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
    वे अपनी यहूदी पहचान पर गर्व करते थे, फिर भी उन्होंने यह सवाल उठाया कि अगर वे ऐसे जीवन में पैदा न हुए होते, तो क्या वे सचमुच यहूदी होते। मैं उनके कठोर नियतिवाद से बहुत सहमत नहीं हूं, लेकिन उनका उपनाम मेरे या लगभग किसी भी व्यक्ति के उपनाम से कहीं ज़्यादा जाना-पहचाना है
    मैंने 2000 के दशक के मध्य में medicinal chemistry की डिग्री ली थी, और आज की visual materials के साथ विज्ञान शिक्षा कितनी अद्भुत हो सकती है, यह कल्पना करना भी मुश्किल है। अब आप हर तत्व के बेहद इंटरैक्टिव मॉडल को अलग software के बिना सिर्फ़ एक क्लिक में web browser में देख सकते हैं। उस समय हमें लाइब्रेरी की 2D printed सामग्री देखकर अपने दिमाग़ में organic chemistry की संरचनाओं को घुमाना पड़ता था, और फिर भी मुझे A ग्रेड मिला

  • “bismuth अगली पीढ़ी के solar cell में toxic lead की जगह ले सकता है” यह पंक्ति संदिग्ध लगती है। क्या आज बड़े पैमाने पर बनने वाले सामान्य solar panel में वास्तव में lead इस्तेमाल होती है? Wikipedia कहता है कि lead telluride और lead selenide का उपयोग photovoltaic devices और infrared detectors में होता है, लेकिन उन लेखों में solar panel का ज़िक्र नहीं है
    खोजने पर केवल बहुत कम बाज़ार हिस्सेदारी वाले flexible solar panel में उपयोग का उल्लेख मिलता है, और उनमें से कई में lead की जगह cadmium compounds उपयोग होते हैं, जैसा कि मैं समझता हूं। बेशक cadmium भी उतना ही विषैला है
    panel assembly soldering में lead के उपयोग की जानकारी भी मिलती है, लेकिन EU में RoHS के तहत कुछ niche उपयोगों को छोड़कर solder lead पर बहुत पहले से प्रतिबंध है। अगर solar panel अपवाद थे, तो क्या 2026 में भी वे अपवाद हैं, यह जानना दिलचस्प होगा। यह सही है कि bismuth कुछ solder में lead जैसे कारणों से इस्तेमाल होता है
    recycled panel में lead वजन का लगभग 0.1% होती है, ऐसी जानकारी भी है, और यह भी कि कुल मात्रा बच्चों के खेल मैदान की सामग्री के safety standards से कम है। कुल मिलाकर toxic lead जैसी अभिव्यक्ति या तो पुरानी जानकारी लगती है, या फिर डर, अनिश्चितता और संदेह फैलाने वाली पंक्ति जैसी पढ़ी जाती है

  • यह Dirac equation को, जिसने special relativity को quantum physics में समाहित किया, प्रयोग के ज़रिए फिर से सत्यापित करने जैसा नतीजा है
    पेपर PDF: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...

  • superfluid और Bose-Einstein condensate का क्या? क्या ³He जैसे superfluid पर अलग नियम लागू होते हैं, या superfluid के नियम भारी तत्वों पर भी लागू होते हैं? यहां भी किसी superfluid quantum gravity model की ज़रूरत लगती है

  • सापेक्षिकता सोने के रंग जैसी कई विचित्र विशेषताओं में भी शामिल है, या इस बात में कि lead battery material के रूप में क्यों उपयुक्त है

  • क्या quantum पहलू की समान रूप से भविष्यवाणी Bohmian mechanics से भी की जा सकती है? या यह ऐसा रोचक मामला हो सकता है जहां दोनों सिद्धांतों की भविष्यवाणियां अलग हो जाएं और falsifiability पैदा हो?

    • Bohmian mechanics गैर-सापेक्षिक है, इसलिए शुरू से ही सापेक्षिक घटनाओं के लिए उपयुक्त नहीं थी। सामान्य तौर पर यह गैर-सापेक्षिक quantum mechanics, यानी Schrödinger equation, जैसी ही भविष्यवाणियां देती है, लेकिन pilot wave की non-locality के कारण Dirac equation के समकक्ष सापेक्षिक संस्करण खोजना कठिन रहा है

  • patent office में काम करने के बाद इस तरह की बुनियादी तकनीक के अधिकार पहले ही सुरक्षित कर लेना वाकई दूरदर्शिता थी। उस समय शायद लोग सोचते होंगे, “Mercury के सूर्य के सामने से गुजरने के समय की गणना ग़लत होने में क्या व्यावसायिक मूल्य है?” लेकिन अब ब्रह्मांड की हर chemical company जब भी hydrogen gas से अधिक जटिल पदार्थ बनाएगी, उसे शायद royalty bill मिलेगा
    दूसरी तरफ़ Galilean relativity का patent बहुत पहले समाप्त हो चुका है, इसलिए हवाई जहाज़ या दूसरे परिवहन साधनों के भीतर भी इसे स्थिर reference frame की तरह बिना royalty दिए स्वतंत्र रूप से इस्तेमाल किया जा सकता है

    • हम पहले ही करों के ज़रिए pure research को फंड करते हैं, इसलिए ऐसे non-rival परिणामों पर, जिन्हें सीधे monetize भी नहीं किया जा सकता, अतिरिक्त royalty लगाना अनुचित है