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[2011.1.13] 天才的灵光

2011-1-18 14:03| 发布者: Somers| 查看: 5951| 评论: 21|原作者: keyjing

摘要: 要不是相对论的魔力,汽车的发动马达就转不起来

083 Science and technology - Einstein and car batteries.mp3


爱因斯坦和汽车电池



天才的灵光



要不是相对论的魔力,汽车的发动马达就转不起来


Jan 13th 2011 | from PRINT EDITION

 

阿尔伯特.爱因斯坦从没去学开车。他觉得开车太复杂,再者,他更喜欢走路。而他不知道的——也是直到现在人们才知道的是——没有他的伟大发现之一,即狭义相对论,大多数汽车不可能发动起来。


狭义相对论同物理极限相关。该理论掌握了亚原子粒子在强大的加速器的作用下可以达到接近光速的速度这一表现行为。相对论的公式也预见了核弹中质(量)能(量)转换的现象。然而,一篇发表在物理评论快报上的文章,讲述了狭义相对论更为一般的应用。根据赫尔辛基大学的Pekka Pyykko和他同事们的计算,我们所熟悉的在汽车发动机罩下,给汽车引擎发动提供能量的铅酸电池,它之所以有这样的能力都归功于狭义相对论。


相对的价值



铅酸电池是19世纪技术发展的产物之一。它于1860年发明,迄今为止仍然具有很强的实用性。表面上,其机制为人熟知这些都是高中化学课本上的东西。但Pyykko博士发觉了哪里不对劲。在他看来,越是深入研究电池的物理化学特性,这些化学特性反而越不能解释电池到底是怎么工作的。


铅酸电池是电池单元构成的集合,其中每个电池都有两个电极,浸泡在硫酸溶液的电解液里。金属铅充当一处电极,另一处电极是多孔二氧化铅。化学家认为,金属铅是电正性物质。这表明,当铅和酸发生反应时,它很可能失去一些电子。而另一方面,二氧化铅是电负性物质,在化学反应中更喜欢吸收电子。如果把一根导电金属丝放在金属铅和二氧化铅之间,铅释放的电子会经金属丝传递到二氧化铅,这个过程会产生电流。组成电池两级的物质的正负电荷差越大,他们发生化学反应时产生的电伏数越大。以铅和二氧化铅为例的电池,每节电池的电位差可产生2伏电压。
       

自铅酸电池发明以来,上述的理论就已为人熟知。然而,尽管很大程度上我们都掌握和了解这些基础化学反应,却没有人能够真正说明最根本的原理——为什么铅和二氧化铅带有这般的电正性和电负性呢?这一点显得颇为神秘,因为和铅特性差不大多的锡,无法用来做电池。比起铅来,金属锡的电正性没有二氧化锡的电负性强,所以无法产生可用的电位差。


原子越大,其外层电子受原子束缚力越弱,这是解释铅和锡两者差别的一部分原因。在化学性质相似的同族元素中,质量越重带的正电越强。然而这依然不能充分说明铅和锡的差别。直截了当地说, 古典化学理论预言了早上(要离家上班)汽车是发不动的。


那爱因斯坦怎么被扯进来了,根据Pyykko博士的计算,相对论解释了为什么铅可以用来做电池,而锡不可以。


他一连串的理由是这样解释的。铅比锡重,核子里的质子数更多(82比50)。这表明原子核的正电更强,同理表明更容易吸引绕着原子核的电子,电子传播的速度也更快,其速度是光速的60%,相比之下,绕着锡原子的电子速度只能达到光速的35%。人人都会引用的爱因斯坦相对论公式:E=mc2,公式表明这一额外速度(即更高的能量)产生的动能使得铅的电子比锡的更重(不断增加的质量)——而重的电子往往会下落,围着结合更紧密的原子核轨道绕行。


产生的结果是,金属铅的电正性没有古典化学理论认为的那么强(或者说,更为电负性)——看起来似乎铅不适合用来做电池。但是, 二氧化铅电负性的增加不但全部抵消了这个趋势还有剩余。在这个混合物里,结合紧密的轨道就像一口井,自由电子落入其中,使得物质更容易捕获电子。二氧化铅的电负性其实比古典化学理论认为的要更强。


然后他们得出了结论。Pyykko博士和他的同事们作了两个版本的电脑模型,来观察铅酸电池是怎么工作的。其中一个模型结合使用了相对论效应的新假设,另一个没有用。相对论模拟模型预测的铅酸电池产生的电压相当精确。而那个不用相对论的模型大约80%的电伏都没有计算到。


这是个非同凡响的发现,这个发现也提出了一个问题。是否还有以前没想到的,潜伏在元素周期表末端的电池材料?讽刺的是,现在最时髦的电池材料,锂,是周期表中第三轻的元素——如果用相对论效应是料不到它可以用来做电池。铅是周期表中放射性元素之前最重的元素,因此除了用于专门应用外不适用于他处。而有关更好的电池材料的研究是没有止境的,Pyykko博士的发现也许给我们提供了一些新的思考方向——化学重金属在电池和其他地方还有什么作为?

from PRINT EDITION | Science and Technology

本文由译者 keyjing 提供 点击此处阅读双语版

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最新评论

引用 suntiantian 2011-1-17 18:12
to the nth degree 是很大程度是的意思,可不是九年级学生
Which is where Einstein comes in.这正是爱因斯坦开始变得有关的地方
引用 arthuswei 2011-1-17 19:37
“铅酸电池是一种蓄电池,”collection of cells第三段第一句
a collection of cells 的意思好像不是蓄电池的意思吧。lead-acid battery 倒是可以翻译成铅酸蓄电池,这里应该是想表达由电池单元构成的单元集合。一点拙见。
引用 keyjing 2011-1-17 21:34
suntiantian 发表于 2011-1-17 18:12
to the nth degree 是很大程度是的意思,可不是九年级学生
Which is where Einstein comes in.这正是 ...

额,大意啦,没具体查!
谢谢指正!
引用 keyjing 2011-1-17 21:36
arthuswei 发表于 2011-1-17 19:37
“铅酸电池是一种蓄电池,”collection of cells第三段第一句
a collection of cells 的意思好像不是蓄电池 ...

恩,翻得时候也纠结了下,然后还是按自己理解的翻成了蓄电池,不过本来译的是电池的集合。
所以,你的应该是正确的~
引用 yannanchen 2011-1-18 11:40
the conversion of mass into energy
质(量)能(量)转换。
引用 yannanchen 2011-1-18 11:49
Superficially, its mechanism is well understood
表面上, 蓄电池的机制为人熟知。
引用 yannanchen 2011-1-18 11:50
on the other hand 另一方面, 不是另一端
引用 yannanchen 2011-1-18 11:55
the bigger an atom is, the more weakly its outer electrons are bound to it
原子越大, 其外层电子受原子束缚力越弱。
引用 yannanchen 2011-1-18 11:59
In all groups of chemically similar elements
在化学性质近似的同族元素中
引用 yannanchen 2011-1-18 12:01
To put it bluntly, classical chemical theory predicts that cars should not start in the morning.
直截了当地说, 古典化学理论预言了早上(要离家上班)汽车是发不动的。
引用 xinshou2012 2011-1-18 12:10
“metallic lead is electropositive ”金属铅是电正性物质,电正性就是失电子能力,而不是"金属铅带正电"同样,二氧化铅是电负性很高的电负性物质,也就是得电子能力很强,个人以为直接翻译为“带正电”“带负电”有些不太合适
引用 yannanchen 2011-1-18 12:23
But this tendency is more than counterbalanced by an increase in the electronegativity of lead dioxide. 但是, 二氧化铅电负性的增加不但全部抵消了这个趋势还有剩余。
引用 keyjing 2011-1-18 13:11
回复 xinshou2012 的帖子

恩,话说我高中还是选化学的。。。惭愧!
谢谢指出!
引用 keyjing 2011-1-18 13:18
回复 yannanchen 的帖子

感谢斑竹指出我那么多问题!我都一一改过了!
the bigger an atom is, the more weakly its outer electrons are bound to it
原子越大, 其外层电子受原子束缚力越弱。
In all groups of chemically similar elements
在化学性质近似的同族元素中
上述两句话,作为曾经学化学的人,还译错,真的很惭愧!

To put it bluntly, classical chemical theory predicts that cars should not start in the morning.
直截了当地说, 古典化学理论预言了早上(要离家上班)汽车是发不动的。
这个补充的太绝拉,我完全是直译之,所以这句话一开始没明白。

整篇文章最关键的电正性和电负性没整清楚,我是望字生意了,感觉自己段与段的衔接也不好!
继续加油,早日做到有量也有质!


引用 mlinda217 2011-1-19 17:22
本帖最后由 mlinda217 于 2011-1-19 17:32 编辑

最后一段我对作者想要表达的意思产生了困惑。首先他说那个科学家的相对论效应让大家有了一个想法,会不会元素周期表靠后的元素还有也很适合做电池材料的。然后话题开始转折了, Ironically,说现在比较流行的锂电池实际上位于元素周期表很靠前的位置。——到这里我都能理解,因为现实跟理论出现差异了。然后他又提到这个铅, 说“铅是周期表中放射性元素之前最重的元素,因此除了用于专门应用外不适用于他处。”——那么我最困惑的就在这里,他提这个铅的目的是想说明什么呢?另外这个“除了做专门应用而不适于他用”到底是修饰铅的还是后面的放射性元素的?as heavy as it gets before...应该怎么理解?

谢谢!
引用 mlinda217 2011-1-19 17:36
本帖最后由 mlinda217 于 2011-1-19 17:41 编辑

我想了下是想说根据相对论效应,越重越能产生电池效果,但是铅已经是能做电池的最重的元素了。所以根据这个结论找更好的材料好像已经没有现实意义了,我理解的对不?
引用 keyjing 2011-1-20 09:11
回复 mlinda217 的帖子

我想作者是想说,那些重金属在别的领域里还能有什么用途
引用 mlinda217 2011-1-20 11:14
啊?讨论重金属在别的领域有啥用途跟电池有啥关系呢?
引用 keyjing 2011-1-20 14:58
回复 mlinda217 的帖子

Still, the search for better batteries is an endless one, and Dr Pyykko’s discovery might prompt some new thinking about what is possible in this and other areas of heavy-element chemistry.

最后一句话,我觉得是作者想就Pyykko研究的点发散开来,全文都是写通过狭义相对论证明了重金属铅比锡更适合于用作电池材料,作者于是想说是不是借由Pyykko的这一发现可以进一步探讨一下别的重金属在电池领域,以及别的领域是否也会有一番作为?

我的理解。

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