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1904 年諾貝爾物理獎:惰性氣體由我們一手包辦!—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/02/19 ・1294字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

在科學發展史上,不同學科的科學家合作研究往往能更有效地促進整體科學發展。

1904 年的諾貝爾獎就是證明:這一年的物理獎和化學獎分別頒發給兩位研究同一現象的科學家,他們是物理學家約翰.斯特拉特,第三代瑞利男爵(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和化學家威廉.拉姆齊爵士(Sir William Ramsay)。

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John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh。圖/nobelprize.org
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Sir William Ramsay。圖/nobelprize.org

在 19 世紀,人類已經知道世上存在眾多元素。不同元素的物理和化學特性互不相同,而其中有些元素的特性比較相似,化學家開始把元素分門別類。今天,我們都學過元素週期表,知道擁有相似特性的元素會歸入同一列,叫做族。週期表中最後一族的元素被叫做貴氣體或惰性氣體。故名思義,惰性氣體相對其他元素非常不活躍,因此直到 1894 年才被瑞利和拉姆齊共同發現。

不同的元素可以通過化學反應分離開來,或者以物理方法如冷凍或加壓後以變態(state change)的形式與其他物質分離。瑞利發現由這兩種方法分離出來的氮氣密度相差了 0.5%,而他的實驗精確度為 0.01%。這個相差明顯在誤差範圍之外,因此他嘗試以各種原因去解釋這個相差,不過全都失敗。

1894 年,瑞利舉行了一個講座,座上就有化學家拉姆齊。拉姆齊聽完講座之後非常有興趣,上前與瑞利討論誤差的來源。他們回到各自實驗室之後就立即進行各項實驗,並互相保持聯絡,交換研究進度。

瑞利和拉姆齊最終達成共識,認為已經排除了除了一個可能性以外所有原因。他們發表結論,認為是一種未知的氣體元素造成測量到的氦氣密度相差。他們成功分離出這種未知的氣體並研究其物理和化學特性。這氣體就是氬,惰性氣體的一員。現在我們知道由於惰性氣體的電子結構比其他族的元素穩定,使它們較不常發生化學反應,因此在 19 世紀前一直未被發現。

發現氬之後,瑞利和拉姆齊繼續共同研究,發現了其他惰性氣體:瑞利發現了之前僅在太陽光譜中觀測到的氦(氦的英文 helium 意指太陽)和與羅伯特.懷特洛-格雷(Robert Whytlaw-Gray)共同發現具有放射性的氡,而拉姆齊則發現了氖、氪和氙。現在我們看看元素週期表,就會發現自然的惰性氣體就只有這六種,在族中由輕到重的排序就是氦、氖、氬、氪、氙、氡。換句話說,瑞利和拉姆齊包辦了所有自然惰性氣體的發現

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氦、氖、氬、氪、氙氣體放電發出的光的顏色、其元素代號和其可見光譜。圖/wikimedia

題外話,想必有讀者留意到瑞利的名字了。沒錯,瑞利同時是解釋「天氣為何是藍色的?」的科學家,瑞利散射定律(Rayleigh’s law of scattering)就是他發現的。根據瑞利散射定律,光線波長越短則其被空氣散射的強度越強,因此波長較短的藍色光更容易被地球大氣散射,我們就看到藍色的天空了。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 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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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。