氦的發現｜科學史上的今天：10/26

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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1911 年，拉塞福發表劃時代的原子模型，指出原子的內部結構是電子圍繞著體積極小的原子核。問題是，若按照電荷數推算原子核內的質子數量，加總後的質量還是小於原子的質量，相差的質量跑去哪裡？對此，拉塞福提出「中性粒子假說」，主張原子核內還有電中性的粒子，是由電子與質子結合而成；例如氫的原子核就是由兩個質子和一個電子所組成。

雖然 1928 年就有物理學者根據量子力學指出原子核內不應該有電子，但因為量子力學尚未成為主流，加上拉塞福的權威性，仍然沒有取以代之的模型。沒想到，就像拉塞福推翻恩師 J. J. 湯姆森的布丁模型，最後推翻拉塞福的中性粒子假說的人，也是他自己的徒弟查德威克。

查德威克家境清寒，都是靠獎學金才能繼續升學；大學就讀物理系的系主任就是拉塞福。他念完碩士後，於1913年留學德國，隔年第一次世界大戰爆發，他因為是英國人而被拘禁在集中營，直到 1918 年才獲釋。返國後，他繼續跟著拉塞福做研究。

1932 年初，約里奧-居禮夫婦（居里夫人的女兒和女婿）從原子核中轟出了中子，但他們誤以為那只是特殊的 γ 射線。查德威克從他們論文中的實驗數據看出那應該是一種未知的粒子，於是他日以繼夜地展開實驗，兩星期後就獲得初步成果。二月，他先向《自然》期刊投稿一篇快訊《中子存在的可能性》，五月再正式發表論文，題目就改成《中子的存在》了。

查德威克發現了一個新的基本粒子，因而於 1935 年獲得諾貝爾物理獎。確認中子的存在後，科學家發現不帶電的中子更能有效地打入原子核，引發核分裂的連鎖反應。沒多久，美國用於製造原子彈，結束第二次世界大戰；戰後，各國繼續用以發展核子武器與核能發電，人類從此跨入禍福相倚的原子時代。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

「看在上帝的份上，不要叫它『蛻變』（transmutation）吧！他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」1901 年，當拉塞福（Ernest Rutherford）聽見索迪興奮地前來報告：具放射性的釷會自發「蛻變」為鐳時，趕忙叮嚀他注意用詞。

當時距貝克勒（Henri Becquerel）無意發現放射性才不過五年，放射性仍是一種相當新奇且神秘的現象；拉塞福本人雖然在 1899 年發現 α 與 β 兩種放射線，卻也不知其性質。索迪（Frederick Soddy, 1877－1956）於 1900 年從英國來到加拿大跟著拉塞福做研究後，有了擅長化學的索迪幫忙，兩人才很快發現釷、鐳、錒等放射性元素都會產生類似惰性氣體的氣體，而且之後檢查這些元素，竟會發現另一種元素。

拉塞福與索迪因此發現放射線是元素的原子裂解，蛻變成另一種元素的過程中的產物。然而當時普遍認為既是基本元素，就不可能再分裂，尤其元素蛻變更是煉金術才有的想法，所以拉塞福才要索迪用詞謹慎。果然他們發表論文後，招來不小質疑，所幸經過其他化學家的實驗證實，他們的發現才獲得認可，拉塞福也因此獲得 1908 年的諾貝爾化學獎；可惜貢獻卓著的索迪被當成只是執行的助手，無緣獲獎。

索迪於 1903 年即回到英國，與倫敦大學的拉姆西（William Ramsay）一起研究。他們先用光譜分析確認鐳產生的惰性氣體就是氦氣，拉塞福再於 1907 年進一步確認這氦氣是由鐳放射出來的 α 粒子形成，證明 α 粒子就是氦原子核。

1910 年，索迪宣稱放射性會造成元素有不同變種，雖然仍是化學與物理性質都沒變的同一元素，但原子量卻不一樣。這個主張再次引來質疑與批評，因為問世已四十年的門得列夫週期表就是以原子量來排列，除了一些元素略有不符需作調整，基本上大家已認定原子量決定一切，怎麼可能同一個元素會有不同原子量還有相同化學性質？！

1913 年成為關鍵的一年。這一年，拉塞福的年輕門生莫斯利（Henry Moseley）發現化學性質取決於原子核的電荷數，而不是原子量，修正了門得列夫的週期表。索迪因此得以發表「位移法則」──元素釋出一個 α 粒子，會在週期表上向左平移兩個位置；釋出一個 β 粒子則會向右移一個位置。他並發明「同位素」（isotope）一詞來稱呼不同原子量的同一元素。更重要的，這一年亞斯頓（Francis Aston）在氣體放電管發現了氖的同位素蹤跡，才會進而在 1919 年用質譜儀證明同位素的存在。

索迪終於在 1921 年獲頒諾貝爾化學獎；亞斯頓也緊接著得到 1922 年的諾貝爾化學獎。巧的是，兩人同年出生，生日只差一天，在月曆上就像週期表上緊鄰的元素。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

自從德國物理學家克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff）與化學家本生於 1859 年共同發明化學元素的光譜分析法，並指出陽光的「夫朗和斐線」就是不同化學元素的光譜後，科學家紛紛透過光譜分析尋找新的元素。

法國天文學家讓森（Pierre Janssen, 1824－1907）特地於 1868 年 8 月 18 日這一天跑到印度的 Guntur，因為此地才能看到日全食。日全食時，黑色太陽邊緣的日珥清晰可見，讓森就能用光譜儀觀測這太陽表面噴發出的強烈火舌，分析其中所含的元素。結果他在光譜中發現了一條特殊的的黃色亮線，他想再觀測確認，但日食已過，讓森情急之下，想出在光譜儀中加上剛好遮住太陽的小圓盤，如此就能製造日食的效果。他改造好光譜儀之後再次觀測日珥，確認是新的光譜線後，將觀測結果寄交法國科學院。

10 月 23 日，就在讓森的報告抵達法國科學院這一天，英國天文學家洛克耶（Norman Lockyer, 1836－1920）也在英國皇家學會報告同樣的發現。不過洛克耶是於 8 月 20 日在倫敦做的觀測；他沒有千里迢迢地跑到印度，因為他也想到了讓森想到的原理。英國皇家學會的秘書於 10 月 26 日向法國科學院告知洛克耶的發現，因此不用再做驗證了，當天法國科學院就對外宣布讓森與洛克耶兩人共同發現太陽新的光譜線 D3。

不過此時兩人都還沒想到這新的光譜線可能代表新的元素，是洛克耶繼續仔細比對現有已知元素的光譜線，發現都不符合後，才於十一月宣布那是地球尚未發現的元素；他將它命名為「氦」（helium），取自太陽的希臘文 helios。

氦是惰性氣體，又無色無味，難怪這宇宙第二豐富的元素在此之前竟從未被發現。1882 年，義大利物理學家帕密里（Luigi Palmieri）才在觀測維蘇威火山的岩漿時，首次在地球上發現 D3 光譜線，證實地球也存在氦元素。氦在自然界主要存在於天然氣與放射性礦物中。放射性礦物輻射出的 α 粒子就是氦原子核，拉塞福於 1907 年將 α 粒子打入真空管，放電後觀察管內新氣體發出的光譜，才確認 α 粒子就是氦原子核。沒錯，用的還是當年讓森與洛克耶所用的光譜分析法。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。