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1902 年諾貝爾物理獎:你是電、你是光,你們解開電磁的神話—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/02/02 ・1226字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

第二屆諾貝爾物理獎於 1902 年頒發。這一年共有兩位得主平均分享物理獎,他們是勞倫茲(Hendrik Lorentz)和塞曼(Pieter Zeeman)。

在 19 世紀之前,電現象和磁現象被認為是兩種不同的現象。在 19 世紀,法拉第(Michael Faraday)和馬克士威 (James Maxwell)成功把電、磁與光三種現象一同解釋。法拉第定律是描述電磁感應的經驗定律、馬克士威方程可以推導出所有電磁現象。實驗物理學家與理論物理學家聯手破解大自然的奧秘。

馬克士威方程不單止包含了所有電磁現象,更導出了一個結論:有一種能夠在真空中傳播的振動,其傳播速度恰好等於光速。然後,赫茲更用實驗證明了電磁波的確存在,電磁與光效應從此結合。

勞倫茲:提出解釋電磁現象的電子論

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洛倫茲。圖/nobelprize.org

然而,究竟電磁波是由什麼產生的?勞倫茲提出,有一種細小的帶電粒子在物質裡面。當這些帶電粒子流動時就會產生電流;當它們來回振動時就會產生一個隨時間改變的電場,根據法拉第定律這就會感應產生相應的磁場。而改變的電場和磁場,正正就是馬克士威方程所預言的電磁波,也解釋了觀察到的光的偏振現象。勞倫茲認為這些細小帶電粒子就是電子。

法拉第當年一直研究磁場對光的影響,他發現了磁場能夠改變光的偏振平面,稱為法拉第效應。可是法拉第生前的最後實驗──研究磁場如何影響發光源──以失敗告終。

塞曼:發現磁場會分裂光譜線

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塞曼是個實驗物理學家。塞曼發現了在磁場的影響之下,原子光譜發射線會分裂成更多更細緻的光譜線。這個實驗顯示原子之中的確有細緻的結構,驗證了洛倫茲的電子理論。圖/nobelprize.org

這個任務最後被塞曼完成了。相對於勞倫茲這個理論物理學家塞曼是個實驗物理學家。塞曼發現了在磁場的影響之下,原子光譜發射線會分裂成更多更細緻的光譜線。這個實驗顯示原子之中的確有細緻的結構,驗證了勞倫茲的電子理論。他們二人對於電磁與光現象的貢獻為他們帶來了 1902 年的諾貝爾物理獎。

現在這個磁場分裂光譜線的現象被稱為塞曼效應。塞曼效應被廣泛應用在天文學,天文學家能藉觀察來自遙遠天體的光譜線的塞曼效應,計算出天體的磁場強度。而勞倫茲電子理論,也與我們在之後介紹到愛因斯坦時將會討論的光電效應有密切關係。

在科學裡,當理論和觀察結合時,往往能夠帶來豐碩的成果。在電、磁、光三個現象的統一裡,透過法拉第、馬克士威、洛倫茲與塞曼這些科學巨人,人類得以解開大自然奧秘的一小部分。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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