科学的科普（14.5）热能、光能、势能和射线发电

张武昌 2025年7月18日星期五

19世纪是沸腾的电的世纪，很多科学家投身于电的研究。在“科学的科普（11）追本逐元（2）固体电流和沸腾的十九世纪”部分我们讲到了利用导体在磁场中的运动来发电，这是目前主流的发电原理，风电、水电、火电、核热能发电都是动能驱动磁场中的转子发电。

其他的发电方式还有摩擦生电（雷电、静电）、化学电池(伏打电池)和半导体发电，后者包括半导体温差发电（热电效应，如核电池，热能发电）、压电效应发电（势能发电）、光伏发电（光能发电）和贝塔伏特效应发电（射线发电），至此，人们可以使用装备将所有的能量形式（动能、势能、光能、热能、放射能）转换为电能。

1821年热电效应和核电池

塞贝克效应（Seebeck effect）又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。

Thomas Johann Seebeck (1770-1831)

1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成两个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。在接下来的两年里时间（1822～1823），塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。

塞贝克的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说明导线产生了磁场。塞贝克确实已经发现了热电效应，但他却做出了错误的解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化，而非形成了电流。科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在导线周围产生了磁场。对于这样的解释，塞贝克十分恼火，他反驳说，科学家们的眼睛让奥斯特（电磁学的先驱）的经验给蒙住了，所以他们只会用“磁场由电流产生”的理论去解释，而想不到还有别的解释。但是，塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将电路切断，温度梯度并未在导线周围产生磁场。所以，多数人都认可热电效应的观点，后来也就这样被确定下来了。

塞贝克效应发现之后，人们就为它找到了应用场所。利用塞贝克效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。选用适当的金属作热电偶材料，制成热电偶温度计，可轻易测量到从－180℃到+2000℃的温度，甚至可以测量高达+2800℃的温度！如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。

放射性同位素热电机（Radioisotope Thermoelectric Generator，缩写RTG、RITEG）是一种利用放射性衰变获得能量的发电机。 此装置利用热电偶阵列（应用了西贝克效应）接收一些合适的放射性物质在衰变时所放出热量再将其转成电能。

此热电机也可被视为一种电池，在一些无人或没有人能维护到的地方，放射性同位素热电机就是理想的能源。

北极航道，也就是北方海路，是苏联连接欧洲和远东港口的重要通道，比传统航线短得多，但挑战也多得多。1953年，苏联政府决定在北冰洋的新地岛建设一座核动力灯塔，目的是为北极航道提供可靠的导航信号。

冬季的极夜能持续数月，气温低到零下几十度，冰层厚重且移动不定，普通的灯塔根本无法应对这种环境。传统灯塔需要定期补充燃料，派遣维护人员前往，但新地岛这样的地方，运输船只很难靠近，人员也难以长时间驻留。

这座灯塔的核心部件是Beta-M型装置，官方资料称它能持续发电十年，为灯塔的灯光和导航设备提供稳定的电力支持。建造过程中，工程师们面临了无数困难。冻土层让基础施工变得异常复杂，所有的建材和设备都得通过船只或飞机运来，稍有延误就可能打乱整个计划。四年后，也就是1957年，这座灯塔正式投入使用，它的灯光开始在极夜中闪烁，为过往船只指引方向，这是全球首座核动力灯塔。

不过，严格来说，Beta-M并不是传统意义上的核裂变反应堆，而是一种放射性同位素热电发电机，简称RTG。这种装置利用放射性物质——通常是锶-90——自然衰变时释放的热能，通过热电偶转化为电能。它的优点在于结构简单，没有复杂的机械部件，也不需要人工操控，非常适合像北极这样无人值守的地区。

苏联解体三十多年后，北极荒原上的景象依然令人震撼。这些被称为核能灯塔的建筑，是苏联科技史上的一抹亮色，也是那个时代工程壮举的见证。苏联解体后，不少贫困潦倒的俄罗斯人盯上了这些孤独寒冷的北冰洋核灯塔。想要窃取里面的核电池。直到普京上台后才知道北冰洋还有一批破烂不堪的核灯塔，等那些拆迁人员到达后，发现不少核电池已经被窃取。也有一些核电池还在工作，产生的电量能点亮一个15瓦的灯泡。目前仅存的旧址有萨哈林岛上的“阿尼瓦”灯塔（Aniva Rock 灯塔）。

美国的巴尔的摩在1964年5月20日也曾经建过核电池灯塔。

核动力电池还装设在人造卫星、太空探测器与无人遥控设备上，著名的旅行者1号和2号空间探测器即使用核电池作为能源。旅行者一、二号使用两块，半衰期为87.7年的放射性钚-238同位素温差核电池供电，经过40多年后还能使用，只是电量快没了而已。

嫦娥四号使用的同位素温差核电池主要目的是在夜间给探测器加热，其次才是输出只有2瓦的电能，主要的电能是太阳能来提供；放射性元素衰变会释放能量，把核电池作为热源和作为主供电，技术水平上相差太多。

放射性同位素温差发电器核电池技术最为成熟且应用最早，但造价极其昂贵。以“毅力号”火星车核电池系统为例，价格高达7500万美元。

核动力心脏起搏器

1967年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室接到了一项新使命：将原子能赋予到人工心脏上，研发核动力心脏起搏器。在此之前，美国早在60年代初就已经开始着手研究如何利用原子能为太空探测器提持久供动力了。1964年“子午仪”导航卫星事件，致使泄露的钚-238在全球上空飘荡。

 有了航天器上的微型核能驱动的先例，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员很快意识到，“核动力心脏起搏器”是具有可行性的。因为，人工心脏的驱动原理和航天器非常相似，都属于微小型动力装置，并且都需要持久不断地运行，而核动力的续航能力超强，可以为心脏起搏器永久保持运转（相当于人的寿命而言），是非常理想的动力来源。

心脏起搏器大致示意图

为了配合项目研究，美国国家心肺研究所也一同参与了计划。他们提出，核动力人工心脏起搏器最需要注意的问题是，如何减少元素的中子辐射效应，以及在减少辐射的同时尽可能地延长起搏器的供能时间。否则的话，病人还没用到几个月，就提前被辐射效应给杀死了。

针对这个问题，洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员博蒙特通过对比人工心脏的体积和结构，制造了一个功率为50瓦的人工心脏起搏器，这个起搏器的能量来源由以往的电池换成了核能，并在三种不同的同位素中选择了钚-238作为原料。钚-238是一种非常强大的α发射体，这种α粒子很容易被屏蔽，可以很轻易地将辐射效应降到最低。而且钚-238的半衰期为88年，能够为人工心脏提供足够长时间的动力。

确定了同位素之后，另外一个新问题摆在研究人员面前：心脏起搏器的体积毕竟非常小，如果利用核能转化为电能来提供动力的话，这个电源的体积将会非常大，用在航天器上或许还勉强可行，但是在对于人工心脏来说的话点不切实际。

经过反复商讨，洛斯阿拉莫斯的研究人员认为“斯特林循环发动机”是比较理想的动力装置，这种发动机是采用热气机循环来运行，只要制作一个小到足以植入人体的钚-238热源，就可以源源不断地为发动机提供动力。

紧接着，洛斯阿拉莫斯实验室为这个项目生产了63克高纯度钚-238金属作为第一批原料，并采用三层金属进行封装，第一层是钽，第二层是钽-10钨，最外层是铂-20铑，这些金属可以有效地屏蔽核辐射，还能保护热源免受氧气的影响。这批63克的钚-238一共制作了大约250个核动力心脏起搏器。

然而，虽然核动力心脏起搏器本身的测试安全性可以打标，但在现实中，可能会遇到很多问题，毕竟钚具有很强的放射性，如果出现意外，不仅安装核动力起搏器的人会有生命危险，后续的放射性辐射对社会造成极大的危害。当时，人们担心的问题有两点：

·        第一，该起搏器强度有限，无法承受枪械以及其他重型穿透，如果钚核心被打碎，这些泄露的辐射可能会致使受害者死亡，而且还会对周围造成二次伤害。这样一来，核动力心脏起搏器就成为了隐形炸弹。

·        第二，钚-238的熔点很低，在患者死亡后，如果不将起搏器拆卸，那么在火化的过程中，这些钚-238将会成为放射性源头，火葬场将被辐射笼罩。

对于上述两个问题，洛斯阿拉莫斯实验室做出了对应的方案。

首先，因为普通人无法被保护，他们被枪击或者炮击的可能性随时都存在，实验室只能敦促他们注意安全。同时，假如患者不幸被枪击中起搏器的位置，那么不管这个人工心脏是否属于核动力，他被枪击受到的伤害都是一样的，只不过非核动力起搏器不会让他遭受辐射而已。所以实验室使用钛合金制作心脏起搏器的外壳，这样一来，一般的轻型武器不会损害到起搏器的钚核心。

另外，关于患者死亡后火化的问题。研究小组使用了3％镓来提高钚-238的熔点。并在植入时向患者家属说明情况，火葬前一定要将起搏器取出，然后送往洛斯阿拉莫斯研究所进行回收。

但是，对于这些说法，精明的保险公司却拒绝买账，他们认为这个核动力存在的风险过于庞大。比如说，如果患者遭遇大口径枪击怎么办？如果患者疏忽，火葬前没有提前拆卸怎么办？这些问题不出还好，一旦出现一次，那就是大规模核辐射事件，谁也担当不起这个责任。当成千上万个核动力心脏出现在大街上的时候，它的安全性又有几分保障呢？

为了防止更大的问题发生，1977年，美国国会结束了这项研究，核动力心脏起搏器也正式告一段落。

在这一批制造的约250个核动力心脏起搏器当中，大约有100个美国人选择了它，因为它比电池驱动的起搏器更便宜，售价仅5000美元，而且还不需要后续更换。电池起搏器5-8年就需要更换一次。

拆卸掉钚核心的心脏起搏器

使用核动力心脏起搏器的一百个人当中，至少有22个人在安装后25年依然可以正常使用，这个记录在世界上没有任何一款电池心脏起搏器可以超越，充分可以说明其质量良好。

1839年光伏发电

1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔（Becqurel）意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。

光电效应（PhotoelectricEffect）是指当一定频率以上的光照射到金属或其他某些材料（材料中存在可被激发并能逸出表面的自由电子或弱束缚电子）的表面时，金属原子吸收光子能量并释放出电子的现象。它是量子力学发展的重要起点之一，对经典物理造成了重大挑战。该效应最早由赫兹（Heinrich Hertz）于1887年在实验中发现，后由由赫尔姆霍兹（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz）和霍尔瓦克（Wilhelm Hallwachs）等人研究，但直到爱因斯坦（Albert Einstein）于1905年通过光量子理论成功解释后，才被理论上完全理解，并为他赢得了1921年诺贝尔物理学奖。

光电效应是光伏效应的前提，光伏响应是光电效应作用于半导体这一特殊场所、从而产生电势差现象。

目前光伏发电是我国大力推广的绿色能源之一，在空旷的沙漠和海洋里部署了大量光伏电池板，而且呈现逐年增长趋势。

1880年半导体发电--压电现象

"piezo"（压电）一词是从希腊语中的“压力”一词派生而来的。1880年，雅克•保罗•居里（Jacques）和皮埃尔•居里（Pierre Curie）偶然间发现发现施加压力能在石英、电气石等多种晶体中产生电荷，他们将这种现象称为"piezoelectric effect"（压电效应）以区别于其他电学现象如“接触电”（由摩擦产生的静电）和“热电效应”（晶体加热时产生的电）。后来，他们发现电场可以使压电材料变形。这种效应被称为"inverse piezoelectric effect"（逆压电效应）。

居里兄弟（Curie Brothers）

居里兄弟认为在给定的晶体中，电效应和机械应力之间存在一对一的对应关系，并且利用这种对应关系选择了实验中的晶体，并确定了这些晶体的切割方式。他们的实验验证了这一预测，这一预测是从他们对热电效应的理解中推导出来的。

然而，两兄弟没有预测到表现出直接压电效应的晶体也会表现出反压电效应。这一特性是由利普曼于1881年从基本热力学原理中推导出来的。居里兄弟随后证实了“反效应”的存在，并继续通过实验证明了压电晶体中电-弹性-机械形变的完全可逆性。

压电效应的应用

·        压电器件的首次开发与应用发生在第一次世界大战期间。1917年，Paul Langevin和法国同事开发了一种超声波潜艇探测器，即声呐系统。他们的换能器是由薄石英晶片粘合在两个钢板之间并安装在适合浸泡的外壳中。装置通过测量回波的返回时间来测量深度的目标。从此以后，声纳换能器、电路、系统和材料的发展从未停止。

第一代天然晶体应用（1920年 – 1940年）

声呐的成功催生了各种压电器件的密集开发活动，无论是谐振还是非谐振的。这些活动包括：

1、开发兆赫石英谐振器，用作真空管振荡器的频率稳定器，使其稳定度增加了十倍。2、基于超声波传播开发了一种新的材料测试方法，首次使人类能够相对轻松地确定液体和气体的弹性和粘性属性，以及在固体金属结构构件中检测到以前无法看见的缺陷。甚至成功演示了声全息技术。 3、开拓了新的瞬态压力测量范围，使得研究爆炸物和内燃机，以及许多之前无法测量的振动、加速度和冲击成为可能。

我们熟悉的大多数经典压电应用（例如麦克风、加速度计、超声波换能器、弯曲元件执行器、留声机拾音器、信号滤波器等）都被构想出来。值得注意的是，当时可用的材料限制了商业利用。压电式麦克风是一种基于压电效应的声波传感器，能够将声音信号转换为电信号。压电式麦克风的核心部分是麦克风头，它由一片压电晶体组成。

第二代压电晶体  陶瓷  应用（1940年 – 1965年）

第二次世界大战期间，在美国、日本和苏联，一些孤立的研究小组致力于改进电容器材料，他们发现某些陶瓷材料（通过烧结金属氧化物粉末制备）的介电常数比普通的切割晶体高出100倍。同类材料（称为铁电材料）也被发现可以表现出类似的压电性能。易于制造的、性能惊人的陶瓷压电材料的发现自然引发了对压电器件的激烈研究。

这个阶段的材料科学进步主要集中在钛酸钡（Barium Titanium Trioxide，BaTiO3）家族和锆钛酸铅（Lead Zirconium Titanate，PZT）家族的压电陶瓷。通过向这两个家族的材料中掺杂金属杂质来实现所需性质，如介电常数、刚度、压电耦合系数、极化的便捷性等。这些进步推动建立了一种全新的压电器件开发方法 – 即根据特定应用定制材料。

现代晶振和压电技术的发展（1965年 – 1980年 – 至今）

对材料研究的持续努力创造了新的压电陶瓷家族，并且没有专利的限制。日本制造商迅速开发了几种类型的压电陶瓷信号滤波器，解决并满足了电视、广播和通信设备市场上出现的需求。

压电效应在日常生活中有多种应用，

·        用于天然气/丁烷器具的压电陶瓷点火器，我们使用的1元4个的打火机就是使用这个原理。打火机利用压电陶瓷在机械形变时产生极化电荷的特性，通过尖端放电产生电火花。 打火机内部装置确保在压缩压电陶瓷时，其表面电荷增多并通过尖端放电，同时喷气孔喷出燃气，电火花点燃燃气完成打火。 防风打火机设计精巧，通过弹簧、限位杆等部件的相互作用，实现对压电陶瓷的精确冲击，产生稳定电火花。

·       利用压电转换装置进行道路振动能量收集的研究越来越受到关注。

发电地板是一种利用人类步行或其他物体施加压力产生电能的技术。其原理是通过压电材料的变形来产生电荷，这些电荷可以被收集和储存，从而转化为电能供使用。例如，在一些公共场所，如商场和火车站，使用这种地板可以将人们的活动转化为可再生能源。

这种技术是基于汽车通过减速带时因受摩擦力而强制减速的原理，将压电传感器铺设于路面的减振层中，对车辆在经过时所产生的振动能量进行收集，并通过电力装置将其转变为可以加以利用和储存的电能。

压电转换装置作为一种将机械能转化成电能的绿色能源新技术，顺应低碳经济、节能环保的时代发展需要。该技术能适应大多数公路路况，具有较大的探索空间。

逆压电效应的应用

石英电子表是石英晶体的压电效应和二极管式液晶显示相结合的手表，其功能完全由电子元件完成。石英表的核心部件是适应晶体振荡器，通电后石英晶体会由于逆压电效应发生稳定频率的震荡，频率可高达每秒数万次，非常适合作为计时基准。

 压电式蜂鸣器是一种基于逆压电效应将电能转换为声能的电声器件，由压电陶瓷片与金属基板复合构成核心发声组件，通过施加交变电压引发材料机械振动发声。其结构通常包含共鸣腔、引线等辅助部件，常见形态为圆形，具有体积小、重量轻、功耗低（典型工作电流＜20mA）、高频响应（1.5-4kHz）等技术特性。

如果电压的频率增加，声波频率增加，就会产生超声波，可以制成超声波清洗机。

超声波雾化器利用电子高频震荡（振荡频率为1.7MHz 或2.4MHz，超过人的听觉范围，该电子振荡对人体及动物无伤害），通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，不需加热或添加任何化学试剂。与加热雾化方式比较，能源节省了90%。另外在雾化过程中将释放大量的细小水珠,其与空气中漂浮的烟雾、粉尘等吸附结合，使其沉淀，使空气得到净化，减少疾病的发生。

压电泵是新型流体驱动器，利用压电陶瓷的逆压电效应使陶瓷发生形变，驱动流体形成平缓的连续不断的定向流动。压电泵属于微泵，输送液体量小，与微流控系统结合可以进行微量控制。

1953年贝塔伏特效应betavoltaic effect

1953年，Paul Rappaport发现贝塔射线使得半导体发电，其原理和光伏相像，不过光线是没有质量的电磁波，而射线是有质量的粒子。

β伏特效应是指利用放射性同位素衰变时释放的β粒子（电子）与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对，从而在PN结内形成电势差并产生电流的过程。具体来说，当β粒子（高速电子）撞击半导体材料时，它们可以激发材料中的电子跃迁到导带，同时在价带留下空穴。由于PN结的内建电场，这些电子和空穴会被分别推向P区和N区，形成光生伏特效应，即在PN结两端产生电势差，进而产生电流。这种效应是核电池利用放射性同位素能量直接转换为电能的基础原理之一。

近日，中国无锡一家科技企业宣布成功研发出全球首款基于碳-14同位素的核电池，其设计寿命超过1000年，能量密度高达传统锂电池的10倍以上。碳-14核电池采用β伏特效应原理，每克燃料可释放3.7万焦耳能量，能量密度达到锂电池的10-50倍。其独特的模块化设计可将能量输出稳定控制在微瓦至瓦级，完美适配不同场景需求。相比之下，传统核电池使用的钚-238成本高达8000美元/克，而碳-14原料成本仅为前者的1/20。

下期预报 为什么皮埃尔居里获得诺贝尔奖。

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