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1901 年諾貝爾物理獎:為什麼 X 射線不叫倫琴射線?—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/01/17 ・1431字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 447 ・四年級

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

第一屆諾貝爾物理獎得主是 Wilhelm Conrad Röntgen,倫琴。這個名字和一種與我們的生活息息相關的物理現象相連,不過卻沒有被冠上倫琴的名字。

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第一屆諾貝爾物理獎得主是 Wilhelm Conrad Röntgen,倫琴。這個名字和一種與我們的生活息息相關的物理現象相連,不過卻沒有被冠上倫琴的名字,他就是 X 射線(X-ray)的發現者。圖/Public Domain, wikimedia commons

倫琴就是 X 射線(X-ray)的發現者,即我們日常說的 X 光。為什麼 X 射線不稱為倫琴射線呢?原來這與 X 射線的發現有關。

這是 1895 年,倫琴是符茲堡大學(University of Wüzburg)的物理系主任。他當時正研究各種真空管的放電會產生什麼現象。有一次,他使用一個能夠讓陰極射線(其實即是電子流)從鋁片上小洞射出的真空管。為免鋁片被陰極射線的靜電損壞,他在鋁片上加了卡紙。他留意到放在洞口附近、塗上了一種叫做 platinocyanide 的螢光物質的卡紙產生了螢光(這就是用於舊式電視螢幕上的化學物)。由於光不能穿過鋁片上的卡紙,倫琴認為是陰極射線令卡紙產生了螢光。

倫琴決定用另外一種真空管 Crookes tube 再測試一次,就是我們在學校物理實驗課裡,用來演示磁場會令電子偏向的那一種。他準備好塗上了 platinocyanide 的卡紙,然後用黑色的卡紙把整個真空管包住,再把燈關掉以確認沒有漏光。就在他檢查真空管的時候,他發現放在身後桌上的卡紙發出螢光。

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Crookes tube 真空管。圖/By Zátonyi Sándor, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

由於桌子離開真空管太遠,螢光不太可能是陰極射線造成的。這是因為電子會被空氣散射,不能在空氣之中走得太遠。謹慎的倫琴重複了幾次實驗,幾次都發現桌上的卡紙發出螢光。就是這樣,倫琴就發現了一種新的、看不見的射線。

由那時開始,倫琴就不斷做有關這種新射線的實驗。他幾乎工作到廢寢忘餐的程度,工作、吃飯和睡覺都在實驗室裡。他在同年 12 月發表了論文《關於一種新的射線》(Über eine neue Art von Strahlen),從此 X 射線就被廣泛發展,今天我們可以見到在天文、醫學、保安等領域的應用。

倫琴在他的實驗筆記上紀錄了所有實驗結果。由於這是一種未知的射線,他就用數學之中代表未知數的「X」去命名這種射線。這就是 X 射線名稱的由來了。後來其他人提議要用他的名字去代表這種射線時,他堅持要叫它做 X 射線。現在某些語言會用他的名字去稱呼 X 射線,例如他的母語德文把 X 射線稱為 Röntgenstrahlung,即倫琴射線。

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倫琴使用 X 射線拍攝他妻子 Anna 的左手,可見她無名指上的結婚戒指。圖/《物理雙月刊》提供

倫琴在做 X 射線實驗的時候,意外發現一塊小小的鉛可以阻擋 X 射線。之後,他不斷用各種物質去嘗試,包括他自己和他妻子Anna Bertha 的身體。倫琴在 1923 年死於大腸癌,很多人認為這是因為他長年做 X 射線實驗的關係。但這是不正確的,因為倫琴是使用鉛作為實驗員保護的先驅

除了 1901 年的諾貝爾物理獎之外,符茲堡大學更頒授榮譽醫學博士給倫琴。今天醫學界稱倫琴為影像診斷學之父,無數病人因為他的物理研究而得救。


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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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