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铅电池:汽车里的相对论奇迹  

2011-04-10 02:37:12|  分类: 物理学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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铅电池是一般汽车内常用的零件,它可以在需要启动引擎时输出能量,并且在引擎运转的时候储存能量。它的优点之一是可以输出较高的电压(约2.1V时),但令人讶异的是:大家都还不知道这项优点是怎么来的。

2011年的一月,芬兰赫尔辛基大学的皮柯(佩卡Pyykk?)及研究同仁经过计算后指出:铅电池的高电压,其实是来自于相对论效应。研究成果发表在"Physical Review Letters"上。

铅电池是由铅板与二氧化铅板,同时放置在硫酸溶液中组成的铅会释放电子,与硫酸作用产生硫酸铅。二氧化铅接受电子后,与硫酸也会结合成硫酸铅一来一往可在两个板之间形成约2.1V时的电压。类似的反应似乎可以用锡与二氧化锡取代,不过效果就不好了。最近瑞典乌普萨拉大学的科学家拉杰夫阿胡加与他的研究团队利用第一原理电子密度泛函理论,计算铅与锡在做成酸电池时的差异他们发现:。若不考量相对论效应的话,铅与锡的效果相差不大,但如果考虑相对论效应,用铅在电压上的优势立刻凸显出来。

在一般人的印象中,相对论似乎跟原子世界很难联想起来,但实际上在某些情况仍可见其踪影。在较轻的原子中,原子核对电子的静电引力不大,所以电子绕行原子的速度远小于光速,因此相对论效应通常可以忽略,然而对于较重的原子而言,原子核的大量质子使其对电子的引力增加,导致电子在轨道上的速度也跟着变快,这时候相对论效应将会起重要的影响。有许多重原子的有趣现象,如显著的自旋轨道作用或是电子的轨道半径收缩,都是来自于相对论效应。

然而相对论何以告诉我们:用铅作电池比用锡要好这是因为相对论的轨道收缩效应,使得铅的6S的轨道能量往下降虽然6s的轨道能量下降会略微降低铅的还原力(也就是释放电子时所得的能量),却同时大幅提升二氧化铅的氧化力(也就是吸引电子时所得的能量)。在这一来一往之间,相对论效应为每个电子提供了约1.7V的,也就是约80%的电池电力。相对的,锡的相对论效应就弱很多,以致于二氧化锡的氧化力远小于二氧化铅,这就是拿锡当酸电池材料的最大障碍。

虽然铅电池是个司空见惯的生活用品,却仍可从中找出意外的新发现,这也是科学研究的迷人之处。

这项发现意义非凡,也引人深思,化学元素周期表里是否有哪些质量较重的元素更适合做电池,而我们之前没想过。讽刺的是,如今最蔚为风行的电池材料是锂,而锂是周期表里第三轻的元素,这代表用锂发电,几乎利用不到什么相对论效应。相较之下,铅的质量很够。比铅更重的元素,通常就具有放射性,不太适合一般应用,只适合某些较专门的用途了。尽管如此,寻找最佳的电池材质是永远没有终点的,皮柯博士这次的新发现,或许可以激发学界的一些新想法,探索重元素化学的这个层面及其他领域。

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