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上帝關了一扇門,萊納替陰極射線開了另一扇窗—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/03/22 ・1337字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

每一個我們習以為常的科學知識,都曾經是前沿的科學假設。例如X光顯影已成為日常生活中再普通不過的技術,這曾是倫琴得到 1901 年第一屆諾貝爾物理獎的前沿科學。 1905 年物理獎則頒給真空管的改造者菲利普.萊納(Philipp von Lenard),就是我們在倫琴文章中提到那一款 Crookes 真空管。

萊納的諾貝爾獎官方照片。圖/Nobelprize.org

時間是 1892 年。當時,萊納是著名的電磁波發現者赫茲(Hendrik Hertz)的助手。當時科學界仍不知道陰極射線的本質。德國物理學界普遍認為陰極射線是與紫外光一樣、在以太中傳播的波動(關於以太,我們留待以後介紹愛因斯坦時討論)。英國的物理學界則普遍認為陰極射線是由電子所構成的。然而,當時的電子物理模型仍未成熟,而且科學界連原子的存在也爭論不休,一直要到 1905 年愛因斯坦才證明原子真實存在。所以,本身是德國人的萊納比較接受陰極射線是以太波動的解釋。

有一天,赫茲告訴萊納,他發現陰極射線似乎能夠穿過鋁片。在此之前,所有陰極射線的研究都被局限於真空管內,受制於產生陰極射線的各種條件。其實「真空」管並非完全真空,因為不同的氣壓會影響陰極射線的強度和種類等。所以赫茲認為這一發現可能可以用來把陰極射線從真空管分隔開來,方便研究其本質。

赫茲因為工作太忙,就授權萊納去做這個研究。於是萊納就用鋁片成功把真空管一分為二,在確保陰極射線的產生條件下,首次把陰極射線分離出來。這個鋁造的真空管「窗戶」,就被稱為「萊納窗戶」。

真空管鋁片窗戶圖解,來自萊納的諾貝爾獎講座。圖/物理雙月刊

萊納把陰極射線從真空管分離出來之後,對其性質做了很多研究。例如,他發現陰極射線在真空管外與在真空管內一樣都會導致熒光和受磁場影響。他其後更發現陰極射線能夠電離氣體、產生臭氧、在照片上顯影、在真空內不受阻但會被氣體散射等等。最重要的是,他發現陰極射線在真空之中仍然會受磁場和電場所影響而偏轉,因此歸納出陰極射線本質帶有負電。這一結論證明陰極射線不是以太波動,而是一種帶負電的粒子,支持電子理論。

萊納對陰極射線的研究為他贏得 1905 年諾貝爾物理獎。他的研究推動了後來的現代物理發展,例如我們討論過的倫琴、貝克和居禮夫婦的研究,亦證明了帶負電的、質量非常小的粒子「電子」的存在。

可惜的是,緃使萊納的物理成就已為他帶來名譽,他一直覺得不足夠。萊納在希特拉上台後加入了納粹黨,成為了希特拉身邊的科學官員。萊納在二次世界大戰時參與迫害猶太科學家,包括愛因斯坦。萊納在戰後被捕送到國際軍事法庭受審,免去了他的海德堡大學終身教授名銜,於兩年後去世。

陰極射線管實物圖。圖/國立臺中教育大學,科學應用與推廣學系,自然科學文物室

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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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