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    杭高啟成學校教師果然很牛,能用通俗易懂的語言解讀諾貝爾獎!

     近日,浙江日報和浙江新聞客戶端,特邀杭高啟成學校老師解讀2019年諾貝爾獎?;瘜W特級教師、全國首屆正高級教師、陜師大、浙師大、溫州大學兼職教授、啟成總校長高樹浪解讀化學諾貝爾獎;教授級高級教師、中國天文學會普委會委員、啟成天文中心主任林嵐解讀物理諾貝爾獎。他們用通俗易懂的語言,讓諾貝爾獎離中學生更近了。

    化學特級教師高樹浪解讀化學諾貝爾獎

          一位中學生對記者說,他已經關注諾獎多年,獲得諾獎的那些科學研究,他基本上看不懂。“我身邊很多同學,大多數不再關注諾獎了,主要原因也是看不懂,還不如刷幾道數學題。”

          怎么樣讓高大上的科學前沿的研究走進中小學生的視野,讓他們看得懂,關鍵在于解讀。這次諾獎結果一出來,杭州高級中學的特級教師、全國首屆正高、啟成學校的總校長高樹浪拿起了筆,用中學生看得懂的語言和知識,解讀起這次化學諾貝爾獎。

           他對記者說,本次化學諾獎的知識是大家熟悉的電池,在小學科學、初中科學都接觸過,高中化學已經介紹其中的化學原理。“說明諾貝爾獎涉及的知識并不是都離我們很遙遠,有時就在身邊。當代的青年人,首先要有執著追求真理的精神,改變對待科學的功利態度;其次要放眼未來,要多思考、善質疑,有批判精神,相信諾獎離我們不遠了。”

          他的解讀文章如下:  

    解讀諾貝爾文學獎-1

          10月9日,瑞典皇家科學院宣布,來自美國和日本的三位科學家因在鋰離子電池研發領域的貢獻獲得2019年諾貝爾化學獎。分別是美國科學家古迪納夫(1922年出生)、英國裔美國科學家威廷漢(1941出生)和日本科學家吉野彰(1948出生)。諾貝爾評獎委員會表示,三個人的研究使鋰離子電池的使用方式更加穩定,從而開啟了電子設備便攜化進程,為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。

     

     

          眾所周知,現代生活離不開電池。世界上研究電池的專家不計其數,在燃料電池、太陽能電池、核電池等領域有突出貢獻也不 少,可是本次諾貝爾獎頒給這三位科學家,除了鋰電池領域獨特的研究外,還有很重的方面,就是這三位科學家對待科學研究的精神。獲獎者之一古迪納夫已經97歲高齡,他曾經說過:“我們有些人就像是烏龜,走得慢,一路掙扎,到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道,他必須走下去。”

          揭開鋰的“廬山”真面目

          鋰(Li)元素是已發現的118號元素大家庭中排行老3,即是第3號元素。

    解讀諾貝爾文學獎-2

     

          元素名來源于希臘文,原意是“石頭”。1817年由瑞典科學家阿弗韋聰在分析透鋰長石礦時發現,1855年,本生和馬奇森采用電解熔化氯化鋰的方法才制得它。鋰從被認定是一種元素到工業化制取前后歷時76年。鋰是一種銀白色的金屬元素,質軟,是密度最小的金屬(0.534g/cm³),相對原子質量為6.941,因為鋰的電荷密度很大,用于原子反應堆、電池等。

          1kg鋰燃燒后可釋放42998kJ的熱量,(4 Li + O? = 2 Li?O 和6 Li + N? = 2 Li?N)因此鋰是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一。1kg鋰通過熱核反應放出的能量相當于二萬多噸優質煤的燃燒。

          電池是誰發明的?

          1799年,意大利物理學家Alessandro Volta發明了第一款電池(Vlotaic Pile 伏特堆),利用鋅片(陽極)和銅片(陰極)以及浸濕鹽水的紙片(電解液)制成了電池,以證明了電是可以人為制造出來的。(說明:中學常用正極和負極)

    解讀諾貝爾文學獎-3

     

          1850年,法國物理學家Gaston Planté發明了鉛酸電池(陽極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質)這類電池被廣泛使用,車載蓄電池、早期電動車等都采用這類電池,截止2014年,全球約售出了4470萬塊鉛酸電池。

          1950之后,加拿大工程師Lewis Urry發明了現在非常常見的堿性電池(鋅為陽極、鎂氧化物為陰極,氫氧化鉀為電解液),全球售出超過100億顆。

          1991年,索尼公司推出了第一款商業鋰離子電池(陽極為石墨,陰極為鋰化合物,電極液為鋰鹽溶于有機溶劑),由于鋰電池的高能量密度和配方不同能夠適應不同使用環境的特點,被現在廣泛使用。智能手機、筆記本電腦、平板電腦迅速擠占了市場,關鍵是電池技術的突破,為便攜電子設備行業帶來了極大的變革。

          三位對鋰離子電池研究有哪些貢獻?

          先普及一下電池產生電流的基本原理:在閉合電路里,當電子定向移動時,就形成電流。電池正常運行的關鍵是選擇兩個電極和中間傳導的介質。(電池就像漢堡,兩邊就像兩個電極,夾心就相當于介質。)

      

    解讀諾貝爾文學獎-4

          約翰.B.古迪納夫的貢獻

          古迪納夫1922年出生于德國。古迪納夫30歲才開始攻讀博士,58歲發明鈷酸鋰電池,75歲以磷酸鐵鋰電池再次改變世界,90歲以后開始研究全固態電池。他使鋰電池體積更小、容積更大、使用更穩定。

          主要貢獻:

          1.用鈷酸鋰作電極材料解決了鋰電池易爆炸問題。鈷酸鋰,化學式LiCoO2,鈷和氧原子的結合更緊密,形成的正八面體的平板,鋰原子層就鑲嵌在兩個“平板”之間。正因為這種特殊的結構,使得鋰原子可以在鈷酸鋰晶體中快速移動。

          如果把鈷酸鋰想象成一個漢堡包,鈷-氧構成了兩片面包,那么,鋰原子就是中間的牛排,能被很輕松地抽出。

    解讀諾貝爾文學獎-5

     

          2.解決了鈷酸鋰太貴問題。鈷元素本身就是一種戰略資源,太貴了,用磷酸鐵鋰取代。磷酸鐵鋰(LiFePO4),或者簡稱為LFP,在它的晶體結構中,鐵與氧組成 FeO6 八面體,磷與氧組成 PO4 四面體,這些八面體與六面體按照一定規則構成骨架,形成Z 字型的鏈狀結構,而鋰原子則占據空間骨架中所構成的空位中。

    解讀諾貝爾文學獎-6

    磷酸鐵鋰晶體結構,其中白色的圓球表示鋰原子,紅色表示氧原子,紫色表示磷原子,黃色表示鐵原子)

     

          3. 用固態介質代替液態介質,使鋰電池更加安全。鋰離子電池中所使用的電解液是一種有機物的混合液體,易燃易爆,這也是飛機等禁運鋰離子電池的重要原因。全固態電池將原先的液態有機電解池換成一種全新的固態電解質。固態電解質不僅能夠保證原有的儲電性能,還能防止枝晶問題的產生,而且更安全,更廉價。

          M·斯坦利·威廷漢

          威廷漢于1941年生于英國,現為美國紐約州立大學賓漢姆頓分校特聘教授,任材料研究所和材料科學與工程專業的主任。

          主要貢獻:找到儲能新材料,顯著提高電化學裝置的儲存能力。

          經過多年的實驗和研究,·威廷漢采用用硫化鈦鋰(LixTiS2)作為鋰電池的陰極材料,金屬鋰作為陽極材料,制成了一款鋰電池。其電壓可達到2.5V,并且在幾乎不損失電量情況下循環1100次。2015年,他就曾因在鋰離子電池領域的開創性研究,獲得了諾獎風向標——科睿維安化學領域引文桂冠獎。

          日本的吉野彰(Akira Yoshino

          1948年生于日本平田,現為日本東京旭化成株式會社名譽研究員,日本名城大學教授。

          主要貢獻:

          吉野彰以古迪納夫的鋰電池為基礎,將陽極材料從石墨改為了石油焦。雖然同為碳元素組成,但是以此達到了輕量化和耐久性。1985年,吉野彰以前人的研究為基礎,發明了第一個商業上可行的鋰離子電池。于是,一種重量輕且耐用的電池誕生,可充電數百次。

    解讀諾貝爾文學獎-7

          綜觀鋰電池發展,從古迪納夫開始,這兩種鋰電池已經不是化學反應產生的電能,而是“單純”的陰陽極之間的電子流動產生的,而這種能量純粹來自于外界充入的“過量”電子,存貯于兩極之間,用于做功,所以其實這兩款并不叫鋰電池,而是鋰離子電池(Lithium-ion)?,F在的鋰電池產業,年產已經接近幾十億美元。這個世界仍在需要鋰離子電池,這個世界更需要一個綠色的未來。

    教授級高級教師林嵐解讀物理諾貝爾獎

      說起杭州高級中學的天文社,業內人士都會豎一豎大拇指。杭高天文社是國內中學界較為領先的社團,還涌現出天文史上發現FMO(近地小行星)的第一位女生,在全世界的高中也具有很強的競爭力。

          昨天,杭高特級教師高樹浪用通俗易懂的語言解讀了化學諾貝爾獎,讓諾獎離中學生更近了。今天,杭高天文社的兩位老師林嵐和田蕾也發聲了,她們要解讀物理諾獎。

    解讀諾貝爾文學獎-8

     

     2019年的諾貝爾物理學獎揭曉了,三位獲獎者分別是詹姆斯·皮伯斯(James Peebles)、米歇爾·邁耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)。獲獎的科學成果都是天文領域的研究。皮伯斯的是物理宇宙學的理論研究,另外兩位發現了第一個繞類太陽恒星的系外行星。   

          林嵐是教授級高級教師,中國天文學會普委會委員,杭高天文指導老師。在今年諾貝爾物理學獎公布之時,林嵐教授驚喜的發現,她早已詳細了解了其中一項諾獎成果。她親自翻譯并于今年初出版的天文學前沿科普書《天穹樂音——人類飛向太空50年》,收錄了米歇爾·邁耶的偉大成果。“一公布獲獎名單,我立馬就翻到了81頁,對這項成果印象非常深刻。米歇爾·邁耶是這本書里的第四位諾獎獲得者了,天文科學前沿的每一個重大成果都令人驚嘆。這個第一顆繞類太陽恒星的系外行星真是跨時代的發現。” 林嵐老師說。

    解讀諾貝爾文學獎-9

     

          杭州高級中學的天文指導老師田蕾,在紫金山天文臺讀研究生時期做的就是系外行星相關的研究,她說這次物理諾獎關于宇宙學的這個內容,講不清楚,但能解讀邁耶和奎洛茲如何發現這第一顆繞類太陽恒星的系外行星——

          我們知道太陽系內有包括地球在內的八大行星,其實在太陽系外也存在著無數的行星,我們稱之為系外行星。飛馬座51是位于飛馬座的一顆類似太陽的恒星。邁耶和奎洛茲在1995年發現的那顆系外行星就是圍繞著它運轉的,被命名為飛馬座51b。它并不是第一顆被發現的系外行星,但它是第一顆被發現繞類太陽恒星的系外行星。也就是說,他們發現的這顆系外行星是繞著類似太陽的恒星公轉,這一發現為尋找地球這樣的宜居行星做出了飛躍性的進步。 

          系外行星的身影很容易淹沒在它所圍繞的恒星光輝之中,尤其是在成像技術還不發達的1995年,他們兩位是如何發現這顆系外行星飛馬座51b的呢?

     

     

          他們通過觀測恒星飛馬座51,發現了它在做周期性的來回擺動,這就說明了這顆恒星不是“獨自一人”,它是被一顆行星圍繞著,兩者仿佛手拉手的大小伙伴,圍繞著共同質心運動。 

          飛馬座51的擺動也不是被兩位科學家直接看見的。他們觀測飛馬座51這顆恒星的光譜,發現了周期性的紅移和藍移。當光譜發生紅移,即光譜向長波方向偏移,由多普勒效應(波源遠離觀測者時,波長變長),我們可以得知這顆恒星在遠離我們觀測者。當光譜藍移,(波源靠近觀測者時,波長變短),恒星在靠近我們觀測者。由此兩位科學家判定飛馬座51這顆恒星在做來回擺動。進而得出系外行星飛馬座51b的存在。

     

          自從邁耶和奎洛茲1995年發現第一顆繞類太陽恒星的系外行星后,系外行星探測不斷高速發展。截至今年國慶節,已有4118顆系外行星被確認發現。系外行星的探測繁榮發展為尋找宜居行星和地外生命提供了可能。

          近年來,中國在系外行星探測領域也奮起直追。中科院紫金山天文臺的系外行星專家季江徽研究員在近日發表的公眾號科普文里介紹說:我國天文學家利用南極冰穹A得天獨厚的天文觀測臺址條件,通過一架50厘米口徑的南極巡天望遠鏡(AST)觀測,發現了近100多個系外行星的候選體,有待進一步觀測認證。推進中的中國南極昆侖站天文臺,也將地球質量大小的系外行星搜尋作為主要科學目標之一。

          中國科學院在“空間科學(二期)”戰略性先導科技專項前瞻性布局了系外行星探測方向,期望通過搜尋發現太陽系近鄰類太陽恒星宜居帶的類地行星??茖W家們積極推進“近鄰宜居行星巡天計劃”,希望通過發射一個1.0米級口徑的空間望遠鏡,基于高精度天體測量和定位技術觀測距離地球32光年外100個類太陽恒星,搜尋類地宜居行星。

          相信,我們在宇宙中并不孤獨。

    2019年10月24日 14:24
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