сряда, 19 януари 2011 г.

Искрата на гения

DarikFinance.bg
Алберт Айнщайн никога не се учил да шофира. Той е смятал, че това е твърде сложно и при всички случаи ходенето е по-удобно, пише The Economist.

Това, което Айнщайн не е и предполагал е, че повечето автомобили, не биха функционирали без едно от най-известните му открития - специалната теория на относителността.

Специална теория на относителността се занимава с физическите крайности. Тя обяснява поведението на субатомните частици, обикалящи около мощни енергийни ускорители, със скорост близка до тази на светлината. Уравненията на Айнщайн изразяват процеса на превръщане на масата в енергия, и са в основата на създаването на ядрените бомби.

Доклад, във Physical Review Letters, отчита и далеч по-прозаично приложение на специалната теория на относителността. Според изчисленията на екип от Университета на Хелзинки, акумулаторът, който седи под предния капак на автомобила, работи в съответствие с принципите на теорията на Айнщайн.

Оловната акумулаторна батерия е един от триумфите на технологията на 19-ти век. Тя е изобретена през 1860 г. и все ще се ползва масово. На пръв поглед механизмът й е добре изяснен. Но според учените от Хелзинки има проблем, а именно, че химията всъщност не може да обясни как работи акумулаторът.

Акумулаторната батерия се състои от оловни клетки, потопени в киселинен разтвор, всяка от тях съдържа два електрода. Един от електродите се състои от олово, а другият от порест оловен диоксидм, съответно положителен и отрицателен – анод и катод. Наличието на разлика между заряда на двата електрода води до протичане на електричество през киселината, като електроните от анода текат към катода.

Колкото по-голяма разлика има между зарядите на двата електрода на батерията, толкова по-голямо напрежение може да генерира тя.

В цялата тази схема има един малък проблем, въпреки че свойствата на тези основни химични реакции са измерени, никой не е в състояние да каже защо точно оловото и оловния диоксид са склонни да бъдат съответно електроположителен и електроотрицателен елемент. Отговорът на този въпрос остава за дълго време мистерия, още повече, че калаят, който споделя много от качествата на оловото, не е добър материал за батерии.

Тази разлика отчасти се обяснява, с по-големите атоми на оловото, които задържат по-слабо външните си електрони. Във всички групи от химически сходни елементи, най-тежките са най-електроположителни. Все пак, това не е достатъчно, за да обясни голямата разлика между оловото и калая. Казано направо, класическата химическа теория, показва че колата не може да запали с такъв акумулатор.

И така стигаме до Айнщайн. Веригата на разсъждение е следната. Оловото, което е по-тежко от калая, има повече протони в ядрото си (82 срещу 50). Това означава, че ядрото му е с по-силен положителен заряд и това от своя страна означава, че електроните, които обикалят около ядрото са по-привлечени към него, и се движат по-бързо, до около 60% от скоростта на светлината, в сравнение с 35% за електроните в орбита около атома на калая.

От тук, ползвайки уравнението E=mc2, кинетичната енергия на тази допълнителна скорост прави електроните по-тежки и те се движат по-близо до ядрото.

Така оловото се оказва по-малко електроположително (т.е. по-електроотрицателно) в сравнение с класическата теория. Но този факт се компенсира с увеличаване на електроотрицателността на оловния диоксид. В това съединение, тясно свързаните орбити на електроните действат като гнезда, в които свободните електрони може да паднат, което позволява на материала да ги улавя по-лесно. Това прави диоксида много по-електроотрицателен отколкото се смяташе.

В Университета на Хелзинки са направили две версии на компютърен модел на това как работи оловно-киселиният акумулатор. За едната ползвали класическата теория, а за другата формулата на Айнщайн. В релативистичната симулация измереното напрежение във втория случай било близко до реалното, а в първия, приблизително 80% от напрежението липсвало.

Тази констатация повдига въпроса дали по-тежките материали в края на Менделеевата таблица може да бъдат използвани за създаване на далеч по-ефективни акумулаторни батерии? По ирония на съдбата, най-модерните батерии днес, са базирани на литий, третият най-лек елемент в тази таблица. А елементите в таблицата след оловото са радиоактивни. Въпреки това откритието на учените в Хелзинки дава съвсем нова перспектива на възможностите за приложение на тежките елементи в други области.

Няма коментари:

Публикуване на коментар