Релятивистские эффекты в быту
Совершенно не обязательно иметь космический корабль, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, чтобы воочию наблюдать релятивистские эффекты. Как показано в теоретической работе шведских ученых, опубликованной в журнале Physical Review Letters, релятивистские эффекты можно наблюдать даже в самом обычном свинцово-кислотном автомобильном аккумуляторе. Именно релятивистские эффекты, возникающие за счет электронов, достаточно быстро движущихся в атомах свинца, являются источником порядка 80% напряжения на клеммах такого аккумулятора. Также исследование объясняет, почему оловянно-кислотные аккумуляторы, в отличие от кислотно-свинцовых, не работают, несмотря на очевидное сходство олова и свинца.
Как правило, электроны вращаются вокруг ядер атомов со скоростями много меньшими скорости света, поэтому при описании атомных свойств зачастую релятивистскими эффектами просто пренебрегают. Но известны исключения из этого правила, в список которых входят наиболее тяжелые элементы периодической таблицы Менделеева. Чтобы противостоять огромной массе ядер таких атомов, их электроны должны двигаться по орбитам со скоростями, близкими к скорости света. При этом, согласно теории относительности, электроны ведут себя так, как будто бы имеют большую массу, т.е. для сохранения углового момента их орбиты должны сжиматься в размерах по сравнению с более медленными электронами. Это сокращение наиболее явно выражается в случае сферически-симметричных s-орбиталей тяжелых элементов. Кстати, этот факт объясняет, почему золото имеет желтоватый оттенок, а ртуть является жидкостью при комнатной температуре.
Существует несколько теоретических работ, в которых изучались особенности кристаллической структуры свинца с точки зрения релятивистских эффектов. Но до сих пор влияние быстрых электронов слабо рассматривалось в ракурсе электрохимических свойств тяжелых элементов.
Один из первых шагов в этом направлении был сделан в недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters работе. Группа шведских ученых из Uppsala University начала изучение одной из самых простых форм «свинцовой химии»: свинцово-кислотных аккумуляторов. Технология их производства насчитывает уже 150 лет отроду и основана на ячейках, состоящих из двух пластин из свинца и его двуокиси, погруженных в серную кислоту. В результате химической реакции, свинец и двуокись свинца преобразуются в сульфат свинца, при этом между пластинами образуется разница потенциалов в 2,1 В. Безусловно, теоретические модели такой батареи существуют. Но шведские ученые были первыми, кто применил к этой модели один из фундаментальных законов физики. Для вычисления разности потенциалов на клеммах такой ячейки, научная группа посчитала разность энергий электронных конфигураций реагентов и продуктов. Отдельно была рассчитана энергия состояний кислоты. В результате исследований выяснилось, что примерно 1,7 В каждой ячейки (т.е. 10 В из 12 В автомобильного аккумулятора) вызваны именно релятивистскими эффектами.
По утверждениями авторов работы, без этих эффектов свинец действовал бы примерно также, как олово, обладающее тем же числом электронов на наиболее удаленных s- и p-орбиталях. Но олово имеет всего 50 протонов, а у свинца их 82, т.е. релятивистское сокращение наиболее дальней s-орбитали олова намного меньше. Таким образом, моделирование показало, что гипотетическая оловянно-кислотная батарея не была бы рентабельна из-за слишком малого напряжения на клеммах. Ранее исследователи имели только качественное понимание объяснения этого факта, теперь же им предоставлены количественные подтверждения.
