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防曬傷?防曬黑?一次搞懂為什麼防曬這麼重要── 紫外線大解析與防曬三步驟

MedPartner_96
・2018/07/13 ・3562字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

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「歲月催人老,日曬最靠腰」這句話 MedPartner 團隊已經不知道說過幾次了,但到底日曬這件事情到底影響有多大,好像沒提出一個明確的例子,大家就很難理解。

其實早在 2012 年新英格蘭醫學雜誌的一篇個案報告,這位美國大叔就用自己的臉親自為我們做了長達 28 年的人體實驗了。

圖/Unilateral Dermatoheliosis Jennifer R.S. Gordon, M.D., and Joaquin C. Brieva, M.D.
N Engl J Med 2012; 366:e25

照片中這位大叔是名貨車駕駛,每趟他出門送貨的時候,陽光中的 UVA 穿過貨車的玻璃,照射在他的左臉。美國跟台灣一樣都是左駕,所以左邊車窗離臉很近,但右邊相對就遠很多。從送貨第三年開始,他就開始出現左臉單側無症狀的皮膚過度角化、皺紋、開放性粉刺,並在一些區域出現像是囊腫的粉刺,這都是典型過度曝曬產生的症狀。

大家應該都知道防曬的重要性。但我們希望透過這篇文章,徹底讓你一次搞懂到底為什麼防曬會這麼重要。廢話不多說,我們開始上課囉!

防曬黑 vs 防曬傷──平平都是紫外線, UVA、UVB、UVC 大不同

多數人都知道,防曬主要是要防止陽光中的紫外線導致皮膚傷害。但如果你只知道到這個程度,那你大概沒辦法做好防曬。地球上的紫外線基本上來自太陽,而太陽是一個巨大、高溫的星體,會發射出各種不同波長的輻射線,如果分析起來,會是一個連續的光譜。

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人的眼睛可以看到的波長是有限制的,因此你能看到的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫這個範圍的光線,被稱為「可見光」。而波長超過紅光的被稱為「紅外線」,波長短於紫光的被稱為「紫外線」,這兩者都是「不可見光」。而波長越短的輻射線,能量就越強,對人體的傷害也就越大。因此紅外線對人體產生不了什麼傷害,我們防曬的重點主要落在波長短但能量較強的紫外線範圍。

所以我們要把重點放在紫外線 (Ultraviolet, UV)再來仔細討論!

紫外線依照波長的範圍,又被分為 UVAUVBUVC 三種。波長越長,穿透力就越強,因此在一般的狀況下,波長最短的UVC幾乎是全部被大氣層擋住(感恩大氣層,讚嘆大氣層),而大約有 5% 的 UVB 會到達地表,但高達 95% 的 UVA 都能直接到達地表。所以防曬產品的設計,都是針對 UVB 跟 UVA 為主,很少聽到有人在談防 UVC 的。

UVB 的波長較短,穿透力較低,傷害主要在表皮層,但能量較強。因此容易造成曬紅、曬傷,而長期累積的能量大,也可能造成皮膚癌。但因為 UVB 的穿透力較低,防護的難度比 UVA 低。至於有關如何早期發現皮膚癌,請大家參考這篇文章

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UVA 的波長較長,穿透力較高,依照波長又分成長波 UVA 跟短波 UVA,其中長波 UVA 的波長更長,傷害可到達真皮層,但能量較低,因此會導致曬黑與老化。而短波 UVA 的波長較短,可抵達表皮較深處。雖然 UVA 能量低,但因為到達地表的量大,因此累積起來,波長越長的 UVA 累積的吸收量還是比較大喔。有關曬黑的完整機制,請大家務必要回去複習一下美白全攻略喔。紫外線會讓皮膚產生自由基,也會產生一些蛋白酵素的活化,會引起膠原蛋白跟彈性纖維的分解,進而出現皮膚老化的現象,例如皮膚變薄、失去彈性、形成皺紋等問題。

 

看到這,大家應該已經清楚 UVA 跟 UVB 的差別,兩者穿透的能力不同,造成的影響也不同,所以防曬的時候,應該要搞清楚自己的目標到底是什麼?如果你根本不怕黑、曬老,只怕曬傷的話,那把降低 UVB 的傷害就沒問題了。如果你擔心的是曬黑、曬老的話,那就要更全面降低 UVA 的暴露。

但是 UVA 的防堵,其實非常困難。剛才已經有講過,波長越長,穿透能力就越強,因此長波的 UVA 基本上是很難阻擋的。因為它能量低,所以即使你暴露在大量 UVA 下,也不會有像 UVB 暴露那種熱熱燙燙的感受。UVA 也很難被雲層、窗戶、汽車的擋風玻璃所阻擋。更麻煩的是,UVA 從日出到日落其實波動不會太大,即使是隨著季節變化,冬天跟夏天的 UVA 強度也相差不大。長波的 UVA 簡直就是一年四季、如影隨形,跟背後靈一樣死纏著你,很難躲得掉啊!

大家可以回想文章一開始的這位大叔,其實他的症狀,主要就是 UVA 的傷害。車窗幫他擋下了多數的 UVB 所以他沒什麼被曬傷的感覺,也不覺得有什麼問題。但累積了 28 年的 UVA 暴露,就成了大家看到的這個樣子了。

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UVB 造成曬紅曬傷, UVA 造成曬黑曬老。防曬的時候,要搞清楚自己的目標!圖/chezbeate @pixabay

要如何完整防曬?防曬口訣 ABC 不能忘

如果想要完整防曬,原則就是「讓皮膚接觸的各式紫外線越少越好」。防曬的原則跟考試想拿分數一樣,要把最多的精力專注在大方向上,而不是枝微末節。這邊提供一個醫學界防曬的通用口訣給大家。

A(Avoid) :避免在上午 10 點到下午 2 點間進行超過 20 分鐘的戶外活動。如果是夏天,可能要視情況延後到下午 3 點。這段時間是紫外線在一天中最強的時候,如果你在這時間還想在外面趴趴走,就千萬別說你想防曬啦~這種量級的紫外線真的很難防守啊!

B(Block):外出要塗抹防曬產品,依所處環境選擇合適的防曬係數,一般以 SPF20~35 間即足夠,建議選擇 SPF30~35 為佳,並謹守 2 小時補擦一次的基本原則。

C(Cover):出門曝曬在陽光下時,應為肌膚提供適當遮蔽物。例如如撐陽傘、戴帽子、戴太陽眼鏡、或是穿著長袖衣物等,加強物理性防曬。

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這裡有張有趣的圖片,也分享給大家看看。

澳洲是個陽光超強的地方,白種人又比較容易得皮膚癌,澳洲政府就用這張圖對國民宣導應該要這樣做好防曬。這張文宣強調的就是:穿長袖衣物、使用 SPF 30 以上的防曬產品、戴帽子、儘量走在陰影處,並且記得戴太陽眼鏡。但內行人就會看出這裡有個有趣的點:澳洲政府不太在意你變黑或變老,主要是擔心你曬傷產生身體問題。這一系列的防曬,主要都是在防 UVB 造成的皮膚疾病為主,特別是皮膚癌,還有視力問題。這非常有道理啊!以政府的角度來說,民眾做好防曬,之後的醫療支出才有機會下降,至於你是不是曬黑曬老,政府是沒打算特別想管啦。當然 UVA 還是會有導致疾病的問題,不可不慎喔!

UVA、UVB、UVC 以及防曬 ABC 的快速重點整理

另外防曬的 ABC 口訣別忘記:

A(Avoid) :避免在上午十點到下午兩點時間進行超過20分鐘的戶外活動。

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B(Block):外出要塗抹防曬產品,依所處環境選擇合適的防曬係數,一般以 SPF20~35 間即足夠,建議選擇 SPF30~35 為佳,並謹守 2 小時補擦一次的基本原則。(這只是原則,要以活動的習慣來做調整)

C(Cover):出門曝曬在陽光下時,應為肌膚提供適當遮蔽物。例如如撐陽傘、戴帽子、戴太陽眼鏡、或是穿著長袖衣物等,加強物理性防曬。

像這位可愛的阿姨物理性防曬就做的很足。 圖/flickr

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Reference

特別感謝:台灣藥妝品研習專業小組所有醫師

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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為什麼會被陽光曬傷?光有能量的話,為什麼照日光燈沒事?
PanSci_96
・2024/05/05 ・3185字 ・閱讀時間約 6 分鐘

唉!好曬呀!前兩集,一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣,一向不缺陽光。市面上,美白、防曬廣告亦隨處可見,不過,為什麼我們會被陽光曬傷呢?卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情?

事實上,這也跟量子力學有關,而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點,接下來,我們會進一步說明,量子概念是如何被發揚光大,以及那個男人的故事。

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光電效應

在量子力學發展過程中,光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是,當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上,會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期,科學家就已經發現某個奇特的現象:使用光(尤其是紫外線)照射帶負電的金屬板,會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理,只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下,輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

光電效應示意圖。圖/wikimedia

於是 1899 年,知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中,並照射紫外線,來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷,卻察覺這些電荷的性質,跟他在兩年前(1897 年)從放射線研究中發現的粒子很像。

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它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子,也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年,德國物理學家萊納德發現,即使是在抽真空的玻璃管內,只要照射一定頻率以上的光,兩極之間便會有電流通過,電流大小跟光的強度成正比,而將光線移除之後,電流也瞬間消失。

到此,我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題?然而,若不用現在的量子理論,只依靠當時的物理知識,很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論,光的能量多寡應該和光的強度有關,而不是光的頻率。

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如果是光線把能量傳給電子,讓電子脫離金屬板,那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢?比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射,會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且,當紫外線的頻率越高,電子的能量就越大。

另一方面,若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板,會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話,就算強度很低,還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應,使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界,並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應,愛因斯坦假設,電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果,認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比,寫成 E=hν,h 是比例常數,也是我們介紹過的普朗克常數。

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在愛因斯坦的詮釋下,電磁波的頻率越高,光子能量就越大,所以只要頻率高到一定程度,就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量,形成電流;反過來說,如果電磁波的頻率不夠高,電子無法獲得足夠能量,就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏,但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳,就算加起來總力道一樣,我是不會被打昏,大概也綿綿癢癢的,不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強,代表光子的數目越多,於是脫離金屬板的電子自然變多,電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳,受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美,但是光量子的觀點實在太過激進,難以被當時的科學家接受,就連普朗克本人對此都不太高興。

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對普朗克來說,基本單位能量 hν,是由虛擬的「振子」發出的;但就愛因斯坦而言,電磁波本身的能量就是一個個光量子,或現在所謂的「光子」。

然而,電磁波屬於波動,直觀來說,波是綿延不絕地擴散到空間中,怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢?

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的,並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年,密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值,跟現在公認的標準數值 h=6.626×10-34 Js(焦耳乘秒)相距不遠。

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在論文中,密立根更捶心肝(tuî-sim-kuann)表示,實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子,就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻,獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

1921 年,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎之後的官方肖像。圖/wikimedia

光電效應的應用

在現代,光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板,利用的就是光電效應的一種,稱為光生伏打效應,材料內部的電子在吸收了光子的能量後,不是放射到周遭空間,而是在材料內部移動,形成正負兩極,產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

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曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光,也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚,會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸,引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化,導致細胞損傷和免疫反應,這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線,因為光子能量偏低,所以就不太會造成傷害,這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半,惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始,人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問;19 世紀初,湯瑪士.楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性,而到 19 世紀中後期,光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展,世人才明白,光是一種波動。

怎知,沒過幾年,愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶,還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認,光具有波動和粒子兩種性質,而會呈現哪一種特性則依情況而定,稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念,顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點,將光能量量子化的詮釋也被實驗印證,在那之後,除了光的能量之外,還有其他物理量被發現是「量子化」的,像是電荷。

我們現在知道,電荷也有個基本單位,就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克,具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷,但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事,並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪,不妨想想,我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的,但其實在微觀尺度,身體也是由一個個很小的原子和分子組成,只是我們根本看不出來,才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小,其實也是像這樣子,細分下去就會發現具有最基本的單位,不是連續的。

事實上,量子力學在誕生之後,一直不斷地為人們帶來驚喜,簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事,就要來聊量子力學發展過程中,打破世間常識的某個破天荒假說,而假說的提出者,是大學原本主修歷史和法律,擁有歷史學士學位,但後來改念物理,並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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榨完果汁,手起水泡?!——植物性感光性皮膚炎
胡中行_96
・2023/04/10 ・1826字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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有個澳洲男童的雙臂,長了些大水泡。第一家醫院的醫師,認為是接觸性皮膚炎(contact dermatitis)。可是 8 歲小孩成天摸東摸西,誰曉得他到底碰了什麼玩意兒。母親眼見病況持續惡化,又帶他去第二家醫院求助。正巧在那裏任職的某護理人員,不久前遇過雷同的病例。她鐵口直斷,說這是英文俗稱瑪格麗特灼傷(margarita burn)的植物性感光性皮膚炎(phytophotodermatitis)。[1]

圖/Estúdio Bloom on Unsplash

植物性感光性皮膚炎

男童的住家旁有棵萊姆樹,他先前採了果子榨汁。[1]在戶外享用瑪格麗特調酒會惹來的毛病,[2]就這麼找上滿手果汁的男童,[1]罪魁禍首正是萊姆。為了抵禦外侮,萊姆檸檬柳橙葡萄柚無花果芫荽香芹(又稱「荷蘭芹」或「巴西里」)、西洋芹胡蘿蔔歐防風等蔬果,都有含量不一的呋喃香豆素(furocoumarins)。[1, 3, 4]在人工育種的過程中,人類多半期望加強有利農作物存活的特質。然而,當它們自我防衛的能力過於卓越,自作孽的人類就難免受害。[3]

男孩榨果汁的時候,正值南半球的夏季,艷陽高照。[1]陽光下,呋喃香豆素會破壞皮膚:一方面被紫外線活化後,與細胞內的核酸結合;另方面直接損傷細胞膜並導致水腫。總之,雙管齊下,殺死了細胞,皮膚於是出現一連串的症狀。[2]此時,若再加上流汗、高溫和潮溼等因素,則情況會更加嚴峻。因此,酒保、超市雇員、農業工作者,以及熱帶地區的居民與遊客,都是高危險群。[3]

有別於某些表徵相似的皮膚問題,植物性感光性皮膚炎雖然會痛,但不會非常癢,而且主要侷限於手掌手臂嘴唇等接觸到病源的部位。這些特徵多少有助於鑑別診斷。[3]不過話說回來,偶爾也有特例,比方《美國家庭醫學委員會期刊》(Journal of the American Board of Family Medicine),就曾報導一名26歲的女性,其患部為下腹和大腿上半截。[2]不曉得是不是泳池派對上,衣物遮蔽範圍較小,而潑濺到萊姆汁的緣故。

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植物性感光性皮膚炎的症狀,通常不會立刻出現。該名女子是在用萊姆汁調酒後 7 小時發作;而澳洲男童則有間隔幾天。一般病程由冒出紅色的疹子或斑塊開始;接著變成燙傷般的水泡;最終色素還會過度沉澱。[2]從發病到康復,前後1、2 週至數月不等,有時候延續幾年。[3]沉澱的黑色素,則會在幾個月後消失。[2]

接觸萊姆後:上下兩排,從左到右,為(非本文案例)第 2 到 10 天的皮膚情形。圖/Katykidk on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

預防

遠離病源當然是預防疾病的最佳方法,只是生活中很難完全不碰含有呋喃香豆素的食物和飲料。非得接觸不可時,必要30 分鐘至 2 小時內,將皮膚清洗乾淨,以減少吸收。[2, 3]另外,防曬油或許有助於減少色素沉澱,卻不見得能杜絕發炎。[3]

治療

植物性感光性皮膚炎儘管症狀看起來可怕,其實基本上會自行恢復,而且沒有長遠的後遺症。除非患部超過身體總表面積的 30%,或是有嚴重的發炎、壞死,得要專業的傷口療護,不然無需特別考慮就醫。針對暫時性的不適,輕微的情況可以採用濕潤的傷口敷料[2]至於hydrocortisone一類的短效皮質類固醇,或者抗組織胺,則適用於疼痛難耐的中度症狀。[2, 3]另外,如果不想依賴藥物,冰敷也是一種止痛的方法。[3]最重要的是,病患絕對要避免陽光照射,並且不得接觸光敏感物質,[2]例如:上述的蔬果和某些特定藥物(下圖)。[5]

光毒性:高劑量可能影響任何人的曝曬部位;光過敏性:低劑量就使過敏者皮膚發炎,或會超過光照範圍。圖/參考資料 5(CC BY-SA 3.0)

  

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參考資料

  1. MacKenzie B, Herbert B. (07 FEB 2023) ‘Byron Shire boy hospitalised with ‘margarita burns’ after juicing limes and going in the sun’. ABC News.
  2. Maniam G, Light KM, Wilson J. (2021) ‘Margarita Burn: Recognition and Treatment of Phytophotodermatitis’. Journal of the American Board of Family Medicine, 34(2):398-401.
  3. Johnson-Arbor K. ‘Lime Juice + Sun Can Cause Skin Rashes’. Poison Control by U.S. National Capital Poison Center. (Accessed on 08 FEB 2023)
  4. Melough MM, Lee SG, Cho E. (2017) ‘Identification and Quantitation of Furocoumarin Contents in Popularly Consumed Foods in the U.S. using UPLC-MS/MS’. Federation of American Societies for Experimental Biology, 31(S1):790.15.
  5. 注意光敏感藥物 不慎恐引發曬傷及皮膚炎」(10 SEP 2018)財團法人藥害救濟基金會
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。