铅蓄电池：汽车里的相对论奇迹
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Jpgcs 于 2011年2月15日 00:10 发表
铅蓄电池(lead-acid battery)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），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，有一组北欧的科学家从理论计算指出：铅蓄电池的高电压，其实是来自于相对论效应。
铅蓄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Uppsala大学的科学家Rajeev Ahuja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轨道能量往下降。 虽然6s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，也就是约80%电池的电力。 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的效果，这就是拿锡当酸电池材料的最大障碍。
虽然铅蓄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。
via: sciscape.org
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