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太阳成城集团教师果然很牛,能用通俗易懂的语言解读诺贝尔奖!

 近日,浙江日报和浙江资讯客户端,特邀太阳成城集团老师解读2019年诺贝尔奖。化学特级教师、全国首届正高级教师、陕师大、浙师大、温州大学兼职教授、太阳成总校长高树浪解读化学诺贝尔奖;教授级高级教师、中国天文学会普委会委员、太阳成天文中心主任林岚解读物理诺贝尔奖。他们用通俗易懂的语言,让诺贝尔奖离中学生更近了。

化学特级教师高树浪解读化学诺贝尔奖

      一位中学生对记者说,他已经关注诺奖多年,获得诺奖的那些科学研究,他基本上看不懂。“我身边很多同学,大多数不再关注诺奖了,主要原因也是看不懂,还不如刷几道数学题。”

      怎么样让高大上的科学前沿的研究走进中小学生的视野,让他们看得懂,关键在于解读。这次诺奖结果一出来,杭州高级中学的特级教师、全国首届正高、太阳成学校的总校长高树浪拿起了笔,用中学生看得懂的语言和常识,解读起这次化学诺贝尔奖。

       他对记者说,本次化学诺奖的常识是大家熟悉的电池,在小学科学、初中科学都接触过,高中化学已经先容其中的化学原理。“说明诺贝尔奖涉及的常识并不是都离大家很遥远,有时就在身边。当代的青年人,首先要有固执追求真理的精神,改变对待科学的功利态度;其次要放眼未来,要多思考、善质疑,有批判精神,相信诺奖离大家不远了。”

      他的解读文章如下:  

解读诺贝尔文学奖-1

      10月9日,瑞典皇家科学院宣布,来自美国和日本的三位科学家因在锂离子电池研发领域的贡献获得2019年诺贝尔化学奖。分别是美国科学家古迪纳夫(1922年出生)、英国裔美国科学家威廷汉(1941出生)和日本科学家吉野彰(1948出生)。诺贝尔评奖委员会表示,三个人的研究使锂离子电池的使用方式更加稳定,从而开启了电子设备便携化进程,为打造一个无线互联的社会奠定基础。

 

 

      众所周知,现代生活离不开电池。世界上研究电池的专家不计其数,在燃料电池、太阳能电池、核电池等领域有突出贡献也不 少,可是本次诺贝尔奖颁给这三位科学家,除了锂电池领域独特的研究外,还有很重的方面,就是这三位科学家对待科学研究的精神。获奖者之一古迪纳夫已经97岁高龄,他曾经说过:“大家有些人就像是乌龟,走得慢,一路挣扎,到了而立之年还找不到出路。但乌龟知道,他必须走下去。”

      揭开锂的“庐山”真面目

      锂(Li)元素是已发现的118号元素大家庭中排行老3,即是第3号元素。

解读诺贝尔文学奖-2

 

      元素名来源于希腊文,原意是“石头”。1817年由瑞典科学家阿弗韦聪在分析透锂长石矿时发现,1855年,本生和马奇森采用电解熔化氯化锂的方法才制得它。锂从被认定是一种元素到工业化制取前后历时76年。锂是一种银白色的金属元素,质软,是密度最小的金属(0.534g/cm³),相对原子质量为6.941,因为锂的电荷密度很大,用于原子反应堆、电池等。

      1kg锂燃烧后可释放42998kJ的热量,(4 Li + O? = 2 Li?O 和6 Li + N? = 2 Li?N)因此锂是用来作为火箭燃料的最佳金属之一。1kg锂通过热核反应放出的能量相当于二万多吨优质煤的燃烧。

      电池是谁发明的?

      1799年,意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池(Vlotaic Pile 伏特堆),利用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水的纸片(电解液)制成了电池,以证明了电是可以人为制造出来的。(说明:中学常用正极和负极)

解读诺贝尔文学奖-3

 

      1850年,法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池(阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质)这类电池被广泛使用,车载蓄电池、早期电动车等都采用这类电池,截止2014年,全球约售出了4470万块铅酸电池。

      1950之后,加拿大工程师Lewis Urry发明了现在非常常见的碱性电池(锌为阳极、镁氧化物为阴极,氢氧化钾为电解液),全球售出超过100亿颗。

      1991年,SONY企业推出了第一款商业锂离子电池(阳极为石墨,阴极为锂化合物,电极液为锂盐溶于有机溶剂),由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点,被现在广泛使用。智能手机、笔记本电脑、平板电脑迅速挤占了市场,关键是电池技术的突破,为便携电子设备行业带来了极大的变革。

      三位对锂离子电池研究有哪些贡献?

      先普及一下电池产生电流的基本原理:在闭合电路里,当电子定向移动时,就形成电流。电池正常运行的关键是选择两个电极和中间传导的介质。(电池就像汉堡,两边就像两个电极,夹心就相当于介质。)

  

解读诺贝尔文学奖-4

      约翰.B.古迪纳夫的贡献

      古迪纳夫1922年出生于德国。古迪纳夫30岁才开始攻读博士,58岁发明钴酸锂电池,75岁以磷酸铁锂电池再次改变世界,90岁以后开始研究全固态电池。他使锂电池体积更小、容积更大、使用更稳定。

      主要贡献:

      1.用钴酸锂作电极材料解决了锂电池易爆炸问题。钴酸锂,化学式LiCoO2,钴和氧原子的结合更紧密,形成的正八面体的平板,锂原子层就镶嵌在两个“平板”之间。正因为这种特殊的结构,使得锂原子可以在钴酸锂晶体中快速移动。

      如果把钴酸锂想象成一个汉堡包,钴-氧构成了两片面包,那么,锂原子就是中间的牛排,能被很轻松地抽出。

解读诺贝尔文学奖-5

 

      2.解决了钴酸锂太贵问题。钴元素本身就是一种战略资源,太贵了,用磷酸铁锂取代。磷酸铁锂(LiFePO4),或者简称为LFP,在它的晶体结构中,铁与氧组成 FeO6 八面体,磷与氧组成 PO4 四面体,这些八面体与六面体按照一定规则构成骨架,形成Z 字型的链状结构,而锂原子则占据空间骨架中所构成的空位中。

解读诺贝尔文学奖-6

磷酸铁锂晶体结构,其中白色的圆球表示锂原子,红色表示氧原子,紫色表示磷原子,黄色表示铁原子)

 

      3. 用固态介质代替液态介质,使锂电池更加安全。锂离子电池中所使用的电解液是一种有机物的混合液体,易燃易爆,这也是飞机等禁运锂离子电池的重要原因。全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质。固态电解质不仅能够保证原有的储电性能,还能防止枝晶问题的产生,而且更安全,更低价。

      M·斯坦利·威廷汉

      威廷汉于1941年生于英国,现为美国纽约州立大学宾汉姆顿分校特聘教授,任材料研究所和材料科学与工程专业的主任。

      主要贡献:找到储能新材料,显著提高电化学装置的储存能力。

      经过多年的实验和研究,·威廷汉采用用硫化钛锂(LixTiS2)作为锂电池的阴极材料,金属锂作为阳极材料,制成了一款锂电池。其电压可达到2.5V,并且在几乎不损失电量情况下循环1100次。2015年,他就曾因在锂离子电池领域的开创性研究,获得了诺奖风向标——科睿维安化学领域引文桂冠奖。

      日本的吉野彰(Akira Yoshino

      1948年生于日本平田,现为日本东京旭化成株式会社名誉研究员,日本名城大学教授。

      主要贡献:

      吉野彰以古迪纳夫的锂电池为基础,将阳极材料从石墨改为了石油焦。虽然同为碳元素组成,但是以此达到了轻量化和耐久性。1985年,吉野彰以前人的研究为基础,发明了第一个商业上可行的锂离子电池。于是,一种重量轻且耐用的电池诞生,可充电数百次。

解读诺贝尔文学奖-7

      综观锂电池发展,从古迪纳夫开始,这两种锂电池已经不是化学反应产生的电能,而是“单纯”的阴阳极之间的电子流动产生的,而这种能量纯粹来自于外界充入的“过量”电子,存贮于两极之间,用于做功,所以其实这两款并不叫锂电池,而是锂离子电池(Lithium-ion)。现在的锂电池产业,年产已经接近几十亿美金。这个世界仍在需要锂离子电池,这个世界更需要一个绿色的未来。

教授级高级教师林岚解读物理诺贝尔奖

  说起杭州高级中学的天文社,业内人士都会竖一竖大拇指。杭高天文社是国内中学界较为领先的社团,还涌现出天文史上发现FMO(近地小行星)的第一位女生,在全世界的高中也具有很强的竞争力。

      昨天,杭高特级教师高树浪用通俗易懂的语言解读了化学诺贝尔奖,让诺奖离中学生更近了。今天,杭高天文社的两位老师林岚和田蕾也发声了,她们要解读物理诺奖。

解读诺贝尔文学奖-8

 

 2019年的诺贝尔物理学奖揭晓了,三位获奖者分别是詹皇·皮伯斯(James Peebles)、米歇尔·迈耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)。获奖的科学成果都是天文领域的研究。皮伯斯的是物理宇宙学的理论研究,另外两位发现了第一个绕类太阳恒星的系外行星。   

      林岚是教授级高级教师,中国天文学会普委会委员,杭高天文引导老师。在今年诺贝尔物理学奖公布之时,林岚教授惊喜的发现,她早已详细了解了其中一项诺奖成果。她亲自翻译并于今年初出版的天文学前沿科普书《天穹乐音——人类飞向太空50年》,收录了米歇尔·迈耶的伟大成果。“一公布获奖名单,我立马就翻到了81页,对这项成果印象非常深刻。米歇尔·迈耶是这本书里的第四位诺奖获得者了,天文科学前沿的每一个重大成果都令人惊叹。这个第一颗绕类太阳恒星的系外行星真是跨时代的发现。” 林岚老师说。

解读诺贝尔文学奖-9

 

      杭州高级中学的天文引导老师田蕾,在紫金山天文台读研究生时期做的就是系外行星相关的研究,她说这次物理诺奖关于宇宙学的这个内容,讲不清楚,但能解读迈耶和奎洛兹如何发现这第一颗绕类太阳恒星的系外行星——

      大家知道太阳系内有包括地球在内的八大行星,其实在太阳系外也存在着无数的行星,大家称之为系外行星。飞马座51是位于飞马座的一颗类似太阳的恒星。迈耶和奎洛兹在1995年发现的那颗系外行星就是围绕着它运转的,被命名为飞马座51b。它并不是第一颗被发现的系外行星,但它是第一颗被发现绕类太阳恒星的系外行星。也就是说,他们发现的这颗系外行星是绕着类似太阳的恒星公转,这一发现为寻找地球这样的宜居行星做出了飞跃性的进步。 

      系外行星的身影很容易淹没在它所围绕的恒星光辉之中,尤其是在成像技术还不发达的1995年,他们两位是如何发现这颗系外行星飞马座51b的呢?

 

 

      他们通过观测恒星飞马座51,发现了它在做周期性的来回摆动,这就说明了这颗恒星不是“独自一人”,它是被一颗行星围绕着,两者仿佛手拉手的大小伙伴,围绕着共同质心运动。 

      飞马座51的摆动也不是被两位科学家直接看见的。他们观测飞马座51这颗恒星的光谱,发现了周期性的红移和蓝移。当光谱发生红移,即光谱向长波方向偏移,由多普勒效应(波源远离观测者时,波长变长),大家可以得知这颗恒星在远离大家观测者。当光谱蓝移,(波源靠近观测者时,波长变短),恒星在靠近大家观测者。由此两位科学家判定飞马座51这颗恒星在做来回摆动。进而得出系外行星飞马座51b的存在。

 

      自从迈耶和奎洛兹1995年发现第一颗绕类太阳恒星的系外行星后,系外行星探测不断高速发展。截至今年国庆节,已有4118颗系外行星被确认发现。系外行星的探测繁荣发展为寻找宜居行星和地外生命提供了可能。

      近年来,中国在系外行星探测领域也奋起直追。中科院紫金山天文台的系外行星专家季江徽研究员在近日发表的公众号科普文里先容说:我国天文学家利用南极冰穹A得天独厚的天文观测台址条件,通过一架50厘米口径的南极巡天望远镜(AST)观测,发现了近100多个系外行星的候选体,有待进一步观测认证。推进中的中国南极昆仑站天文台,也将地球质量大小的系外行星搜寻作为主要科学目标之一。

      中国科学院在“空间科学(二期)”战略性先导科技专项前瞻性布局了系外行星探测方向,希望通过搜寻发现太阳系近邻类太阳恒星宜居带的类地行星。科学家们积极推进“近邻宜居行星巡天计划”,希翼通过发射一个1.0米级口径的空间望远镜,基于高精度天体测量和定位技术观测距离地球32光年外100个类太阳恒星,搜寻类地宜居行星。

      相信,大家在宇宙中并不孤独。

2019年10月24日 14:24
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