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紅的綠的黃的白的,為何煙火少有藍色?

果殼網_96
・2017/03/17 ・2368字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

文/窗敲雨|藥學碩士

從元旦到春節,喜慶的節日總少不了煙火來裝點。回憶一下,你曾在煙火中看到過哪些色彩和效果?紅色、綠色、黃色以及銀白色的閃光,這大概是其中最常見的幾種。那麼,藍色呢?似乎沒什麼印象?

在煙火中,藍色確實是種特別的存在。至少在那些可供個人施放的小型煙火彈中,幾乎找不到它的身影。藍色為什麼沒有成為煙火中的流行色?了解煙火背後的化學,我們就能從中找到答案。

圖/123rf.com.cn

煙火的基本配方:氧化劑 + 燃料

從化學的角度來看,煙火和鞭炮的基礎是一場快速釋放能量的氧化還原反應。無論是炸開的效果、聲響,還是激發五彩斑斕的光芒,都要依靠化學反應釋放的能量。

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在這個反應中,需要兩種基本角色:氧化劑,以及用來燒掉的燃料。在我們所熟知的傳統配方黑色火藥中,就是硝酸鉀充當了氧化劑,木炭和硫作為燃料。

用黑色火藥就足以做出傳統的爆竹,但現代的彩色煙火對火藥配方還有更多要求。通過改變氧化劑和燃料的種類,可以調整所達到的火焰溫度,最終產生不同的效果。比如說,如果把燃燒的東西從蟲膠之類的有機物改成金屬鎂,就能提高火焰溫度,帶來更耀眼的光。

鞭炮類產品的結構比較簡單,它們只需要在小紙筒中裝上火藥,在點燃引信後原地爆開。而煙火的結構和功能都要復雜得多——它們要先升到空中,在合適的高度爆開,再展示出色彩斑斕的效果。

滿足這些條件的東西一般被稱為「高空煙火」,它的內部具有多層結構:下方裝著一些用於推進升空的火藥,並有一根延時引信通向中心。延時引信控制了高空煙火爆開的時機,當它引燃中間部分的爆炸藥,就能讓高空煙火整個爆開,讓產生色彩、閃光的「效果顆粒」在空中綻放。

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下圖是高空煙火的結構。下方的火藥用於推進升空,延時引信引燃中間部分的火藥,讓煙花在合適的高度炸開,散開負責產生效果的小顆粒。

高空煙火的剖面圖。圖/Reactions

藍色是高難度的顏色

煙火的色彩來自不同類型的金屬化合物,它們在高溫中被激發,並釋放出特定波長的光——對,簡單理解就是焰色反應。鍶鹽可以為焰火染上紅色,鈣鹽可以提供橘色,鋇鹽是亮綠色,而銅則是藍色……等等,藍色?銅的焰色反應不是藍綠色嗎?

我想大家可能也會產生這樣的疑問。我們在中學課本上學到的焰色反應很簡單,只要拿來某種金屬鹽類在火上燒一燒,就會產生一種固定的顏色。但事實上,這是個更複雜的問題,火焰溫度和陰離子(主要是氯)同樣會產生影響。

煙火色彩對應的原料。圖/Compound Interest

當金屬鹽類遇到高溫火焰時,它們首先會發生一些化學變化,產生游離的「發光體」(emitters),這些發光體在高溫下被激發,然後其中的電子再躍遷回到基態,這時候就會發出特定波長的光。鈉的標誌性黃光來自原子光譜,而其他很多「發光體」卻是一些在火焰中形成的簡單分子。煙火的藍色就是來自 CuCl 這種「發光體」的光譜。要想形成這種藍光效果,需要有銅化合物和富含氯的煙花火焰(氯可以來自高氯酸鹽之類的物質)。同時,火焰溫度也必須恰到好處,才能讓分子發光體形成並且保持穩定。對於藍色的發光體這個要求尤其嚴格,過高的火焰溫度很容易將其破壞。因此,藍色可以說是煙火中最難呈現的一種色彩。

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那麼紫色呢?你或許會想到鉀,但煙花生產者可不會用它製造紫色,而是會把發出藍光與紅光的素材混合。回想一下焰色反應實驗,我們就能找到這樣做的原因:鉀鹽的焰色反應實在不夠明顯,還很容易被掩蓋,我們總不能在煙火表演的時候也一人發塊藍色鈷玻璃吧… …

鎂、鋁、鈦之類的金屬並不提供彩色的火焰,不過它們可以製造銀白色的閃光效果。如果用上鐵或者鐵合金,還能得到橙黃色的火花。

這樣的火花就是透過燃燒金屬得到的。圖/123rf.com.cn

煙火的陰暗面:不可忽視的污染

煙火的璀璨轉瞬即逝,彷彿一眨眼就消失在風中——但是,它們不可能真的完全消失。繁華過後,煙火留下了數以億計的微小顆粒,和一團複雜的化學混合物,這些遺留物也造成了不可忽視的污染問題。

細懸浮微粒( PM 2.5 )就是煙火燃放影響空氣的一個重要面向。美國有研究發現,獨立日紀念日煙火可以讓附近監測站的 PM2.5 濃度上升 370% 之多。而在中國,春節時的煙火鞭炮施放更是會導致空氣污染物濃度急遽上升,甚至影響到幾十公里以外的地區。二氧化硫、氮氧化物等氣體污染物同樣會隨著燃放而產生。尤其在本身就霧霾嚴重的地方,再去集中燃放煙火就更加糟糕了。

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那些為煙火增加效果的金屬鹽類也一樣會成為污染物,有害的金屬化合物顆粒會隨著煙火的爆炸而擴散。在一些煙火中充當氧化劑的高氯酸鹽也是環境科學家們擔憂的對象,它們可能會污染附近的水體。

現在,也有研究者在研製對環境影響較小的煙火,例如用更安全的物質替換掉配方中的高氯酸鹽。不過,這距離消除煙花的「陰暗面」還相差很遠。

正因為如此,我總對煙火懷有一種複雜的情緒。市區裡此起彼落的鞭炮聲或許惹人厭,但盛大的煙火表演卻總是難免觸動心弦。燦爛的節日煙火能否變得更加安全無害?這個問題就要交給化學家們來解答了。

溫馨提示:除了空氣污染,人身安全也是燃放煙火鞭炮格外需要注意的問題。請不要燃放不合格的煙火,保持安全距離,並戴好護目鏡。

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(責任編輯:Mo)

參考資料:


本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),編輯:Mo。本文禁止二次轉載,如需轉載請聯繫 sns@guokr.com

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果殼網_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鑑識故事系列:義大利煙火工廠爆炸
胡中行_96
・2023/08/10 ・1785字 ・閱讀時間約 3 分鐘

義大利南部每到新年,必要放煙火驅邪避凶。西西里島上,某家族經營的煙火工廠,隨著年關將近,如火如荼地籌措活動所需。2019 年 11 月 20 日,[1]突然發生巨大爆炸。[1, 2]該廠 20 年前的類似意外沒死人;這回可沒那麼幸運。[1]

2019 年義大利的某場新年煙火。圖/Marco Chilese on Unsplash

爆炸傷害

煙火以硝酸鉀(potassium nitrate)、煤粉(pulverised charcoal)及(sulphur)為主要成份。爆炸的時候,會壓縮空氣,並提高其壓力和溫度,產生殺傷力十足的爆炸波(blast wave)。[2]爆炸傷害大致可以分成 4 類:[2, 3]

  • 第一類:爆炸波直接傷害充滿氣體的臟器,例如:肺部、腸胃道或中耳等。[2, 3]若是太靠近源頭,或是爆炸的力道過強,則實心的內臟,像是肝臟與脾臟,也會受傷。[2]
  • 第二類:爆裂物本身或其他碎片造成的穿刺傷。[2, 3]比第一類的傷害來得普遍,而且是爆炸事件中,最常見的死因。[3]
  • 第三類:爆炸波使人體位移而撞上東西,或者遭毀壞的建物結構壓到,導致鈍器損傷、腦震盪、穿刺傷和各類骨折等。[2, 3]
  • 第四類:吸入有害氣體、燒傷、輻射,或其他間接的環境傷害,以及心理衝擊。[2, 3]

煙火工廠的死傷

西西里這家煙火工廠有16棟建物,編號 6 和 7 全毀;鄰近的8號著火;其他的所有建物,也遭到向周邊擴散的爆炸波衝擊,輕微損壞。7 名現場人員的創傷,涵蓋上述所有類型;其中死亡的 5 人,皆有至少 2 到 3 度燒傷。[2]以下死傷摘要,整理自新聞報導,以及現場鑑識、解剖驗屍和 3D 電腦斷層等結果:[1, 2](請慎入超連結附圖。)

  • 受害者 1:36 歲,男性;肺、肝、脾臟撕裂;肺部出血性水腫、急性肺氣腫;顱骨碎裂,右邊肋骨卡了建物碎屑,全身多處骨折;死於建物 6 和 7 附近。(照片[2]
  • 受害者 2:23 歲,男性;多處骨折;建物碎屑侵入左顳頂骨、前腹壁及各處的皮下組織;頭、頸、腹部撕裂;四肢瘀青且燒傷;死於建物6和7附近。(照片 [2]
  • 受害者 3:34 歲,男性;顱骨碎裂,內臟全毀,屍塊四散,遠過建物8。[2]
  • 受害者 4:71 歲,女性,即工廠老闆娘;[1, 2]急性肺氣腫、急性支氣管腺泡出血;多處骨折,塑膠物嵌入左頂骨;在建物8旁,幾乎完全燒成焦屍。[2]
  • 受害者 5:39歲,男性;全身多處撕裂及燒傷,肺部出血性水腫、急性局部肺氣腫,右脛骨開放性骨折;[註]送醫途中死亡。[2]
  • 受害者 6:工廠少東;[1, 2]嚴重燒傷,輕微骨折,兩側耳膜穿孔,治療後出院。[2]
  • 受害者 7:嚴重燒傷,輕微骨折,治療後出院。[2]

炸得面目全非,屍塊殘破的受害者 3,是所有死者中最難辨識的。於此情況下,DNA、指紋或牙齒都派得上用場。這個案件的鑑識團隊,靠死者父母提供的 DNA,比對身份。[2]

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a. 該煙火工廠的衛星空照圖;b.和c.分別為建物 7 與 8。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0)

還原事件

火災調查單位經過一番努力,還原事發過程:建物 6 到 8 的功能,分別是堆放成品、儲存染料與製造煙火。受害者 1、2、3 和 5,於建物 6 及 7 一帶,裝設新的拉門;其中受害者 3 在建物 7,焊接門軌的鐵製支撐結構。受害者 4,即工廠老闆娘,則從建物 8 的方向前來。另外,受害者 6 跟 7,也就是少東與一名工人,應該也在附近。 [2]

除了少數自殺案件,當事人把煙火塞進自己嘴裡;多數的煙火爆炸事故,起因於工作人員未受訓練,或者操作時沒遵守安全規定。[2]正確的焊接環境,必須保持通風,移除或隔絕可燃物。[4]這家煙火工廠依照相關法規施工,然而焊接的火花,卻還是引發爆炸,釀成5死2傷。也難怪司法單位一度懷疑,是勞資糾紛導致的惡意縱火,不過最後證據都指向意外。[2]

  

備註

原個案報告在文章中,描述受害者 4 右脛骨骨折;但是根據其表格 1 和 2,那應該是受害者 5 的創傷。[2]

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參考資料

  1. Deadly fireworks explosion rocks Sicily’. (20 NOV 2019) Deutsche Welle, Germany.
  2. Baldino G, Stassi C, Mondello C, et al. (2021) ‘Forensic investigative issues in a fireworks production factory explosion’. International Journal of Legal Medicine, 135, 1647–1654.
  3. Jorolemon MR, Lopez RA, Krywko DM. (18 JUL 2022) ‘Blast Injuries’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  4. Welding processes – Code of Practice’. (JUL 2020) Safe Work Australia.
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)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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最理想的元素週期表?其實元素週期表有很多種!——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/10 ・2017字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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前面幾章都在談元素週期表,但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版,而且為什麼現在的教科書、文章、網路,提供這麼多種元素週期表?有沒有「最理想的」元素週期表?追求最理想的元素週期表有意義嗎?如果有,我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展?

種類數量可觀的元素週期表

愛德華.馬蘇爾斯(Edward Mazurs)關於週期表歷史的經典著作中,收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來,大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右;之後,期間至少又有三百張週期表問世,如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表,這件事情需要好好解釋。當然,這些元素週期表中,許多並沒有新的資訊,有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表,留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體:有圓形的還有立體的?

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式:短元素週期表中長元素週期表長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息,但相同原子價(編按:原子的價數,金屬為正價、非金屬為負價)的元素,在這些表中有不同的分族。

此外,有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形橢圓的週期系統,比起長方形的元素週期表,更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上,在圓形或橢圓形的系統中,週期的結尾不會中斷,例如氖和鈉、氬和鉀。

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但是,不像時鐘上的週期,元素週期表的週期長度不同,因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲(Benfey)的元素週期表(圖 37),過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表,例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)所設計的(圖 38)。

圖 37/本菲(Benfey)的圓形元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表
圖 38/費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)的三維元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

但我認為,這些變體都只是改變週期系統的描繪形式,它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的,是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前,我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單,至少表面上是,因此吸引業餘的科學家大展身手,發展新的版本,也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然,過去有過幾次,化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東.范登.布魯克,他是經濟學家,也是首先想到原子序的人,他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾.雅內(Charles Janet),他在一九二九年發表「左階式元素週期表」(Left-step periodic table),後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注(圖 39)。

圖 39/夏爾.雅內(Charles Janet)的左階式元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

「理想」的追求

那麼,追求最理想的元素週期表真的有意義嗎?我認為,這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面,如果一個人相信,元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實,那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言,追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表,即便這樣的表還沒制訂出來。

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另一方面,工具論者或反實在論者看待元素週期表,可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此,就不必熱切尋找最理想的元素週期表,畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說,元素究竟如何呈現並不重要,因為他們相信我們處理的,不是元素之間的自然關係,而是人造關係。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

日出出版
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