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透過光譜測量,找尋傳說中的反氫原子——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/05/11 ・1336字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

文/陳勁豪|臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心 專案計畫助理研究員

CERN 的 ALPHA 實驗發表了對反氫原子的光譜測量結果。結果顯示與氫原子的光譜測量結果一致。

在粒子物理的標準模型裡面,所有的物質都有一個相對應的反物質。物質跟反物質的所有物理性質,例如質量,電荷量等,統統相同,唯一的差別僅在於所帶的電荷相反。當物質與反物質相結合的時候,會相互湮滅而產生兩個光子。這個正反物質的對稱性又稱為 CPT 對稱。這邊的 CPT 分別代表電荷共軛(C),宇稱(P),時間反演(T)。

氫原子與反氫原子的 3D 圖像。圖/By NSF, Public Domain, wikimedia commons

但是對物理學家來說,有了理論預測還不夠,他們希望能夠對所有可見的反物質進行精密測量,把測量到的反物質性質與已知的物質相互比較,看看兩者是否如理論預期一樣一致。如果兩者的結果不一致,那麼表示正反物質之間可能帶有未知的差異,將會暗示新物理的存在。

氫原子的光譜是物理學家所可以作到的最精準的測量之一,同時氫原子的光譜也是少數物理學家可以精確計算的數值,精準度可以到 1015 分之一的水準。在理論與實驗的相互印證下,物理學家對氫原子的光譜有著相當清楚的認識。因此物理學家希望能夠對反氫原子進行類似的光譜測量。透過精密的光譜量測,任何微小的差異都可以被偵測到。

位於瑞士 CERN 的 ALPHA 實驗日前發表了最新的研究結果,他們對反氫原子的 1S-2S 光譜進行了仔細的測量。測量反氫原子的光譜相當困難。反氫原子是由反質子與正電子所結合而成。正電子相當容易產生,但是反質子在自然界中完全無法自然存在。

在 CERN 的實驗中,反質子是由質子同步加速器(Proton Synchrotron, PS)所產生的高能質子束撞擊金屬靶後所產生的次級粒子中收集而得。這些經由撞擊而產生的反質子能量太高,需要透過反質子減速裝置(The Antiproton Decelerator)減速之後,才能與正電子混合,進而形成反氫原子。減速裝置大概每次可以產生約 90,000 個反質子,與正電子混合後,約可以產生 24,000 個反氫原子。

 

透過 Google 街景服務來探索質子同步加速器吧!圖/Google Street View

形成反氫原子後,由於反氫原子為電中性,ALPHA 實驗的科學家利用磁阱來限制反氫原子的行動,一方面避免反氫原子與物質結合而湮滅,一方面讓物理學家能夠更容易量測其光譜。他們利用雷射測量反氫原子 1S-2S 的光譜至精準度為 2 x 10-10 的水準。雖然比氫原子的精準度差了十萬倍,不過已經是目前對反氫原子的光譜最精準的測量。而且結果顯示兩者在實驗誤差內一致。

物理學家的下個目標是提昇對反氫原子光譜測量的精密度。目前距離氫原子的精準度還差了十萬倍,所以還有相當大的挑戰空間。配合其它關於反氫原子實驗的結果,物理學家將可以對正反物質的性質進行精準的測量。

原始論文:

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本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 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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