地板下的原子:從廚房到客廳,從洗衣服、揉麵糰到書架上的灰塵,日常生活裡的71個物理不思議

 

作者:克里斯‧ 伍福(Chris Woodford)
出版社:臉譜出版社
出版日期:2015年12月31日

文/白榮銓

儘管很多人認為科學很有趣,但可能也有很多人認為科學太難懂;儘管有些網站或新聞媒體,用聳人聽聞的手法報導科學,但可能仍有很多人依賴這些管道獲得科學資訊;愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)說過“The whole of science is nothing more than a refinement of everyday thinking."(科學的全部,不外乎將日常的思考精緻化),故我們應如何觀察,才得以發現隱藏於日常生活裡的科學現象?又要如何思考,才得以推論這些現象背後的科學原理?
本書作者克里斯‧ 伍福(Chris Woodford),畢業於英國劍橋大學(Cambridge University),是一位科普專業作家,並主持「Explain that stuff」網站(網址:http://www.explainthatstuff.com/);本書以簡潔易讀的文字,透過漫遊居家環境,指出日常生活裡不可思議的物理現象,並提出令人驚奇的科學解釋。

太陽組成妙揭密
太陽光不但提供地球上所有生物生長所需的能量,更支配了地球的氣候變化。太陽的核心(core)約佔太陽半徑的20%,總質量的34%,溫度估計約攝氏15,000,000度,是太陽能量的主要來源。人類根本無法接近太陽,因此讓人好奇的是:科學家如何發揮巧思,得知太陽核心的組成與反應?
1663 年, 牛頓(Isaac Newton) 將太陽光通過稜鏡,在牆壁上投射出紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等多種顏色的彩虹色帶,牛頓將它命名為光譜(spectrum);1814 年,德國物理學家夫朗和斐(Joseph Fraunhofer, 1787-1826)利用自製的分光鏡(spectroscope)研究太陽光譜,他發現太陽的彩色光譜中,有10 多條非常清晰的暗線(dark lines),他把這些暗線依照順序,以A、B、C、D、E 等字母命名,這些主要暗線之間,還存在著574 條較微弱的暗線,後人為了紀念他,命名為夫朗和斐線(Fraunhofer lines)。
夫朗和斐進一步比較「太陽光」與「鈉火燄」的光譜,赫然發現:太陽光譜中標示為D 的「兩條暗線」,與鈉火焰光譜中「兩條很接近的明亮黃線」,恰巧落在同一位置(圖1),這些暗線是典型的吸收線(absorption line),但夫朗和斐無法解釋此現象。
上為太陽光光譜,下為燃燒鈉產生光的光譜;箭頭所指的兩條黑線,和兩條黃線在同一位置圖1  上為太陽光光譜,下為燃燒鈉產生光的光譜;箭頭所指的兩條黑線,和兩條黃線在同一位置。(圖片來源:科技部高瞻自然科學教學資源平台)

1859 年,德國海德堡大學(Heidelberg University)的化學家本生(Robert Bunsen, 1811-1899)和物理學家克希何夫(Gustav Kirchhoff, 1824-1887),利用自製的本生燈(火焰亮度低,較不會影響光線的觀察)、改良的分光鏡以及石灰燈(lime light)進行實驗;石灰燈是1816 年英國科學家德魯蒙德(Thomas Drummond, 1797-1840) 所發明,能產生類似太陽光的均勻光譜,不同的是沒有任何暗線,故石灰燈產出的光譜,稱為連續光譜(continuous spectrum)。
實驗進行時,先以本生燈加熱鈉,再讓石灰燈發出的光,通過鈉焰的上方,然後以分光鏡觀測,結果就像夫朗和斐的實驗,在連續光譜的D線處,出現兩條暗線;兩人認定這是鈉蒸氣將連續光譜中屬於D線波長的輻射給吸收掉了,因此進一步推論:太陽的表面應存在鈉蒸氣,才會在同樣位置出現暗線。像這樣,在連續光譜中某些波長的光,被物質吸收後產生的光譜,稱為吸收光譜(absorption spectrum)。
除此之外, 克希何夫和本生研究發現,燃燒每一種化學元素,都會發射出自己獨特的光譜;而且在連續光譜中,由於元素會「吸收」它所能「發射」的譜線,故產生暗線;於是兩人將夫朗和斐線和一些元素的譜線進行對照,證明太陽含有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素。1868 年,法國天文學家詹森(Pierre Janssen , 1824-1907)在分析太陽的光譜時,發現了「氦」元素, 取名為helium, 源自於希臘文「helios」,原意是「太陽」,氦可說是第一個在地球以外發現的元素。目前科學家在太陽的光譜中,已發現60 幾種元素,其中氫含量最豐富,約佔太陽質量的74%;其次是氦,約佔25%。
1920 年, 英國物理暨天文學家愛丁頓(Arthur Eddington, 1882-1944),首度提出「恆星的能量,來自核融合(nuclear fusion)」的理論;1939 年,美國物理學家貝特(Hans Bethe, 1906-2005)對於恆星內產生能源的機制,提出兩種可能方式:太陽或質量比太陽輕的恆星,產生能源的主要機制,是利用質子-質子鏈反應(protonproton chain reaction),將4 個氫核融合成1個氦核,並釋出能量及微中子(neutrino);至於質量比太陽大的恆星,產生能源的主要過程是碳氮氧循環(CNO cycle);1967年,貝特因為在「恆星能長時間向外釋放巨大能量」理論上的貢獻,榮獲諾貝爾物理獎。
由上述可知,夫朗和斐的太陽光譜是不連續光譜(discontinuous spectrum),光譜的暗線是由於太陽光的能量,被「未知元素」的原子吸收掉了;而克希何夫經由實驗得到的吸收光譜,光譜的暗線是由於石灰燈光的能量,被「已知元素」的原子吸收掉了;故只要比較兩者的暗線位置,就可知道太陽的組成元素;其次,由於太陽核心的溫度極高,導致原子失去電子,高速運動的原子核,經過無數次的相互碰撞,產生融合反應而釋放出極大的能量。

無線電波傳訊息
1865 年, 英國物理學家麥克斯威爾(James Maxwell, 1831-1879),預言電磁波的存在,他認為加速運動的電荷,會在垂直方向上,產生隨時間變化的磁場;隨時間變化的磁場,又會在周圍空間,產生隨時間變化的感應電場;這個變化的電場又會在周圍空間,產生變化的磁場;兩者交替產生,循環不已,形成向外傳播的波動(圖2),稱為電磁波。

電場與磁場的振幅變化方向,均垂直於電磁波的前進方向圖2  電場與磁場的振幅變化方向,均垂直於電磁波的前進方向。(白榮銓繪製)

1886 年,赫茲(Henrich Hertz, 1857-1894)為了證實「電磁波的存在」,他將萊登瓶(Leyden jar) 連接倫可夫感應線圈(Ruhmkorff coil), 加以變壓,做為高電壓脈衝(high voltage pulses) 電源; 然後將兩根短銅棒的遠端各接一片正方形鋅板(圖3),近端各接一個黃銅小球,兩個黃銅小球中間留有火花隙(spark gap),組成發射器(transmitter);另外用一條銅線彎成圓弧形,兩端各接一個黃銅小球,組成接收器(receiver)。在昏暗的實驗室裡,赫茲將接收器放在發射器前方數公尺處,當發射器接上高電壓脈衝後,兩個小銅球之間會產生高頻振盪火花;然後調整發射器和接受器之間的方向和距離,以及接收器兩個黃銅小球的間隙,就可以在接收器的兩個黃銅小球之間,看到一束很小的淡藍色火花。

赫茲的電磁波實驗裝置示意圖圖3 赫茲的電磁波實驗裝置示意圖。(白榮銓繪製)

上述實驗中,正方形鋅板的用途是作為電容,當高電壓脈衝電源接上兩根銅棒時,兩端的電容器被充電,發射器兩個黃銅小球間的電場強度逐漸增強;當兩個黃銅小球間的空氣被離子化,電荷會在兩個黃銅小球之間來回振動,產生交流變化電場,再感應生成附近的交流變化磁場,交互循環前進,亦即發射器發射出電磁波;另一方面,接收器圓弧線圈內部的磁通量,隨著時間快速變化,形成了感應電動勢,這個感應電動勢會在接收器的兩個黃銅小球間形成電場,當電場強度大到某一程度時,接收器的兩個黃銅小球間,會產生火花放電的現象,亦即接收器收到電磁波了。
其實,光波也是電磁波(圖4),電磁波具有光波的各項性質(例如反射、折射和繞射等),後來的無線電通訊技術,即受惠於赫茲的電磁波實驗,例如電磁波之一的無線電波(radio wave),傳遞訊號的速度相當於光速,將無線電波發射端的低頻訊號(聲音),透過調變(modulation)技術,處理成高頻訊號(電磁波);接收端將接收到的高頻訊號(電磁波),透過解調(demodulation)技術,還原成低頻訊號(聲音),達到訊息傳播的目的;為了表彰赫茲在科學上的貢獻,以「赫」(Hz)做為頻率的基本單位,並尊稱他為「電磁波之父」。

電磁波頻譜圖4 電磁波頻譜

無線電波的行進方式(圖5)包含:1. 無線電波在自由空間以光速直線發射之後,隨著「彎曲」的地球表面前進,稱為地波(ground wave),因為地球表面本身是一個很大的導電體,所以無線電波能在地表產生感應電流,造成靠近地表附近的波速較慢,導致波前(wave front)向下傾斜,故無線電波能沿著地球的曲面前進;2. 由於太陽和各種宇宙射線的輻射,使得地球大氣層中的空氣分子和原子吸收能量,產生離子與自由電子,當電子濃度高到足以影響無線電波傳播之區域,稱為電離層(ionosphere),無線電波遇到電離層,會發生一次到多次的折射或反射,偏折至遠方地面,稱為天波(sky wave);3. 發射天線與接收天線之間,有的直接經由空氣直線傳播(又稱直接波),有的經由地面堅硬物體反射後被接收,合稱為空間波(space wave)。

無線電波的行進方式圖5 無線電波的行進方式。(白榮銓繪製)

就廣播的特性而言,調幅(amplitude modulation, AM)廣播使用地波和天波傳送,容易受到空氣中的靜電干擾而出現雜音; 短波(short wave, SW) 廣播使用天波傳送,可以傳播範圍較大;至於調頻(frequency modulation, FM)廣播是經由空間波的直線路徑傳送,傳播範圍較調幅廣播小,容易受到天然地形及人工建築物的阻擋,導致信號接收困難。
由上述可知,原始的訊息傳遞大多是口耳相傳,而現代的廣播電台與無線電話等通訊裝置,則是仰賴電磁波來傳遞訊號,不同頻率的無線電波,在經過不同介質及其分界面的過程中,會發生反射、折射、散射、繞射和吸收等現象,導致訊號衰減且方向可能發生變化,而這些特性都有可能影響無線電波的行進方式。

智慧玻璃不思議
1913 年, 丹麥物理學家波耳(Niels Bohr, 1885-1962)研究原子結構與原子發出的輻射,他認為電子在環繞著原子核的不連續軌道上運行,電子從原來運行的軌道躍遷(transition;即過渡)至另一個軌道時,會釋出一個光子(photon)或吸收一個光子;而釋放或吸收光子的能量,等於電子在躍遷軌道間的能量差。電子不能隨意躍遷,電子抓取光子所獲得的能量,必須符合不同軌道間的能量差,才會從較低的能階躍遷至較高的能階。
依據上述的量子理論,因為可見光的光子能量太低,無法被玻璃內的電子吸收,故光子穿透玻璃繼續前進,玻璃呈現透明狀;紫外線的能量較可見光高,會被玻璃內的電子吸收,故大部分的紫外線無法穿透玻璃。至於太陽眼鏡使用的變色玻璃鏡片, 是以「光致變色」(photochromism)材料(含有鹵化銀)製成,受到太陽的紫外線照射,產生化學反應,銀離子轉變成不透明的銀原子,吸收可見光,故鏡片由亮變暗。太陽眼鏡移入室內,避開紫外線,化學反應逆向進行,銀原子轉變回原來的銀離子,故鏡片由暗變亮;現代的光致變色鏡片,已改用萘并吡喃(naphthopyran)的複雜塑膠做為鏡片材料,受到紫外線照射時,會改變成不同的分子結構,故可有效地轉換成暗色鏡片。
光致變色材料在室內或車內,沒有受到紫外線照射時,無法有效變暗;而「電致變色玻璃」(electrochromic glass),只要施加電壓,讓電流經過電致變色玻璃,在很短時間內,就可以讓玻璃板變暗;關掉電壓,玻璃板再度恢復透明,它的結構與原理是什麼?
電致變色玻璃的構造是在兩層玻璃之間(圖6), 夾有5 個薄膜層, 分別是透明導電層(transparent conductor)、離子儲存層(ion storage)、電解質層(electrolyte layer)、電致變色層(electrochromic layer)及另一個透明導電層。

電致變色玻璃施加電壓,會發生色變作用圖6  電致變色玻璃施加電壓,會發生色變作用。(白榮銓繪製)

當電致變色玻璃兩端沒有施加電壓時,初始狀態的電致變色層是透明無色(或淺色);當兩端加上低電壓後,離子儲存層裡的離子,在電場的作用下經過電解質層,移動到電致變色層,注入電致變色材料的晶化結構中,發生色變作用,阻絕光線通過,使玻璃變暗;若關掉電壓,離子返回離子儲存層,則玻璃再次變透明。
由上述可知,窗戶貼隔熱紙或使用窗簾,雖可遮擋陽光,卻可能使得室內照明不足,若使用電致變色玻璃,則可隨著不同方位窗戶對光線的需求,及當時的氣溫變化,藉電源的控制來調整可見光的穿透度,達到節能減碳的需求;除此之外,電致變色玻璃還應用於室內裝潢隔間、汽車天窗、防眩光後視鏡、顯示器以及電子紙(electronic paper)等。
綜合上述, 克希何夫和本生透過光譜,推論思考,揭開太陽組成的祕密;麥克斯威爾推論電磁波的存在,啟發後來的無線電通訊技術發明;智慧玻璃遇光和施加電壓時會變色,這些不可思議的物理現象背後,都可以原子的微觀性質解釋;至於為什麼建築物不會下陷進地裡?能量從那裡來?又往何處去?為什麼衣服洗一洗,就變乾淨?這些都有待您進一步的閱讀與思考!


白榮銓
臺中市立居仁國中退休教師

08/16/2016 16:48

當日人數:1  累積人數:812

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