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「稀土戰爭」的起點:七種元素因這個村莊而被發現!

活躍星系核_96
・2019/06/05 ・2753字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級
  • 本文授權轉載自領研公眾號
  • 编译/谢汝雨 杨心舟@环球科学

今年是元素週期表誕生 150 周年,已經有 118 種元素在這張表上找到了屬於自己的位置。在第 Ⅲ 族副族裡,有一群特殊的元素,它們又被稱作稀土元素,是當今各種高科技領域是必不可少的金屬元素。而其中 7 種元素都因一座村莊而發現,4 種都以村莊的名字命名。

一座因元素出名的村莊

離斯德哥爾摩不遠的 Resarö 島上,有一個叫做伊特比(Ytterby)的村莊,它是化學史上有舉足輕重的地位。在化學家中,都存在一種對該村莊的誇張描述:

元素週期表可以分為兩部分,一部分叫 Ytterby 元素,另一部分叫其他元素。

儘管伊特比只是一個小村莊,其對元素週期表的貢獻非常大,世界其他地方能發現 2 個元素的都屈指可數,但在伊特比就直接產出並根據 Ytterby 命名了4種,而還有 3 種也是因該地的一塊礦石才得以被發現,也就是說這塊土地讓元素週期表上拓展了 7 種元素。

當然要在一個地方同時發現如此多的元素,和元素的性質有很大關係。伊特比區域發現的這些元素都屬於稀土金屬,稀土金屬有一個很大的特點,就是其是由許多元素混合在一起組成的,當你獲得一塊天然的稀土金屬,基本上就獲得了幾種不同的元素。而伊特比就是這麼一個地方,富含稀土礦藏。根據考古學家推測,在上一個冰川期結束時,冰川消融帶走了該區域大部分表層土壤,因此這些底層的稀土礦藏就暴露出來,很容易被開發。

伊特比採石場。圖片來源:Wikipedia

最初,伊特比並不是為了採集稀土資源而存在的,其礦場僅僅只是用來尋找一種叫做長石的礦物。長石是用來製作陶瓷的重要原料,馬可波羅於14世紀初期將陶瓷引進至歐洲後,歐洲人開始瘋狂地愛上了這種實用且高效的舶來品。幾百年來這裡的礦工都會從挖出的礦藏中選出長石,其他的就當做廢棄物直接倒掉,直到1787年,Seva炮兵團中尉卡爾.阿克塞爾.阿倫尼烏斯(Carl Axel Arrhenius)注意到了長石採礦場中一塊棄置的黑色礦物碎片,他將其送給了化學家朋友約翰.加多林(Johan Gadolin)進行分析。後來,這塊碎片成了意義非凡的礦石:人們從此開始對稀土元素展開了長久的探索。

一塊改變元素史的礦石

卡爾本身的工作其實和礦石沒太大關係,但事情很奇妙,他在瑞典皇家鑄幣廠工作時認識了研究礦石的化學家Peter Jacob Hjelm,卡爾也耳濡目染地對化學和礦物產生了興趣。因此當他在礦場發現這塊從未見過的黑色礦石後,直覺告訴他這塊礦石並不普通,他將其以發現地伊特比村為名,叫做「ytterbite」石塊(現已知為矽鈹釔礦),並送給了加多林檢驗。

這塊礦石上端黑色部分,就是當年中尉發現的物質ytterbite,中文名矽鈹釔礦。圖片來源:Joshua Howgego

收到樣品的加多林經過認真分析,發現樣品中約有 38% 為某種金屬氧化物,他將該氧化物命名為「yttria」。這一刻開始,稀土金屬中的元素開始逐漸浮現在了元素週期表中。為了直觀地展示村莊名 Ytterby 是如何變成元素名的,我們可以看下最先發現的 4 種稀土元素的名稱,它們分別是yttrium(釔),terbium(鋱),erbium(鉺),ytterbium(鐿),幾乎都是選取了村莊名的部分。

之後加多林多次對礦石進行了分析,他最終確定這塊礦石的氧化物成分為氧化釔(Y2O3),這也是最早被發現的稀土金屬化合物,加多林在 1794 年發表了這項結果。然而,Y2O3還不是元素,直到 1828 年,Friedrich Wöhler 通過鉀還原氯化釔得到了釔元素。元素週期表上 39 號位元的釔元素,終於安頓下來了。

從 1787 年這塊礦石被發現,到釔元素聞名於世經歷了兩百年。1987 年高溫超導體誕生,它在極低的溫度(-180℃)下也具有強磁性,這個溫度對於常規超導體來說已經很高了,因此它也被應用於精密的核磁共振的設備中。而這種高溫超導體就用到了釔元素(實際為釔鋇銅氧化物),至此釔的商用價值也被逐漸開發出來。

一連串稀土元素

因為稀土元素同屬於第Ⅲ副族,它們的原子結構很相似,而其中的 15 種鑭系元素的最外層電子軌道完全一樣,區別僅在於次外層電子。這些相似的電子排布會讓這些金屬的化學性質很相似,幾種稀土元素經常紮堆出現,很難進行分離。因此,當年從伊特比村裡發現的矽鈹釔礦中提取的釔並不純粹,還含有其他稀土元素。

來自伊特比村莊的七種稀土元素發現史

1843年的時候,卡爾·古斯塔夫·莫桑德爾(Carl Gustaf Mosander)分析了礦石中的Y2O3成分,他發現礦石並不是只由氧化釔構成的,其還含有氧化鉺(Er2O3)和氧化鋱(Te2O3),他將這些氧化物依次用伊特比村莊命名為 yttria、erbia 和 terbia,相對應的,3 種金屬的名稱就是 yttrium(釔),erbium(鉺),terbium(鋱)。

鉺和鋱都是從矽鈹釔礦中分離出來的,但它們的顏色並不一樣,釔呈現出白色,鉺呈現出粉紅色,鋱則呈現出黃色,因此從顏色上就能很好地區分這三種元素,如果你買到了一些粉色或者玫瑰色的玻璃狀物體,裡面很可能就含有鉺。如今,鉺被用在一些皮膚科或牙科中使用的鉺鐳射機器中,因為其不會穿透人體,可以針對性地治療皮膚和牙齒疾病。而鋱經過硫酸化後,能夠產生黃綠色的螢光,因此被應用于顯示幕發光系統中。

1878 年,瑞士化學家馬利克納(J.C.G.Marignac)從鉺中分離出一種新元素,他同樣以伊特比為該元素起名為 ytterbium(鐿),鐿元素最出名的是其被應用在了原子鐘中。隨後在 1879 年,瑞典化學家尼爾森(L.F.Nilson)採用馬利克納的方法從鉺中分離鐿,並分別測量兩種元素的原子量。結果尼爾森測的鐿原子量卻比馬利克納測得的輕,他認為這是鐿中混有其他原子量較小的元素造成的。尼爾森繼續分離鐿,發現了鈧,克裡夫從鉺中分離出鈥和銩。至此,從卡爾中尉拿到這塊黑礦石,到元素全部解析出來,歷經了近百年。

伊特比村莊釔路上的一座房子圖片來源:Joshua Howgego

在伊特比發現的七種元素不僅僅是元素週期表上的珍寶,更是構成先進技術的基礎:釔的導電電阻幾乎為零,構成了高溫超導體的一部分;鋱用於風力發電機的儲能;鉺摻雜的光纖放大器能補償通訊系統中的光損耗,稀土金屬在這些高科技領域的優良表現使得其成為了控制世界經濟走向的一大因素。正是由於其稀缺性及不可替代性,稀土元素也成為各國長期博弈的焦點。

而如今,伊特比礦區已經成為了高級住宅區,昂貴的房子矗立在以自然元素命名的街道上,原先的礦入口貼著 ASM International society頒發的紀念牌,這片相繼發現了七種稀土元素,並命名了其中四種元素的沃土已逐漸變換了模樣。

參考來源

  • Д.Н.特立豐諾夫,В.Д. 特立豐諾夫.化學元素發現簡史[M]北京:科學技術文獻出版社,1986:133-139
  • https://www.newscientist.com/article/2194112-the-village-where-more-elements-were-discovered-than-anywhere-else/
  • http://www.slate.com/articles/health_and_science/elements/features/2010/blogging_the_periodic_table/ytterby_the_tiny_swedish_island_that_gave_the_periodic_table_four_different_elements.html
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Ytterby
  • https://blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2016/10/15/the-ytterby-elements/

本文授權轉載自領研公眾號,原文標題:一座改变化学史的村庄:7种元素从这里诞生,它是“稀土战争”的最初起点

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活躍星系核_96
754 篇文章 ・ 93 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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徐壽誕辰|科學史上的今天:2/26
張瑞棋_96
・2015/02/26 ・1088字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

同治元年(1862 年)春,已是中年的徐壽偕同小他十五歲的同鄉青年華蘅芳來到兩江總督曾國藩營中。一年多前英法聯軍才打進北京,火燒圓明園,「師夷長技以制夷」的洋務運動已刻不容緩。他們兩人因一起研究西學、仿製西方器械而頗有盛名,因而以「才能之士,能通曉制造與格致之事者」的資格,受到曾國藩的保舉任用。

徐壽。圖/wikimedia

面對曾國藩的讚揚與期許,徐壽感慨萬千。一方面,他為父母雙雙早逝,無緣親見他未經科舉考試卻仍能獲得朝廷重用而感到遺憾,另一方面,卻又感到心虛,因為他當初放棄傳統仕途,潛心研究西學,可不是有什麼深謀遠見或救國抱負,純粹是因為對科學的興趣罷了。

他一開始就深受中國歷代的科技典籍所吸引,舉凡算術、天文、曆法、音律、礦學等等,他無一不感興趣。接觸明末清初由傳教士引進的西方科學翻譯著作後,發現其內容有條有理,詳述基本原理與推演過程,更令他大為傾心,於是轉而全心研究西學,不僅吸收其中的科學知識,還按圖索驥,動手實作書中的科學實驗。例如他會特地到上海購買器材來做書中的化學實驗;也曾將水晶印章磨製成三稜鏡,以驗證光的折射實驗;還買來洋槍,與華蘅芳兩人一起研究拋物線運動。

靠著這樣的研究態度,徐壽對於所接觸的科學知識不僅知其然,還知其所以然。因為掌握了背後的原理,徐壽在仔細觀察過實物後,就能做出同樣的器械,例如複雜的自鳴鐘。來到曾國藩的麾下後,他也不負所望,在三年內就成功打造出中國第一艘蒸汽輪船「黃鵠號」。這艘輪船的設計與建造完全沒有假手外人,徐壽也因此獲頒「天下第一巧匠」的匾額。

但徐壽更在意的始終是基本的科學原理,而非巧技。經過幾年的造船任務後,徐壽終於如願在 1868 年設立翻譯館,專責翻譯西方的科學書籍。他親自與英國人傅蘭雅 (J. Fryer) 合譯《化學鑑原》一書;除了金、銀、銅、鐵等等已有慣用名稱之外,針對其它尚無譯名的元素,他們首創將元素英文名稱的第一音節或次音節譯為漢字後,再依元素的類別冠以不同部首。鋰、鈉、鎂、鎳、硒、碘、鈣、鈹、……等 24 個元素即為他們所命名,而他們發明的化學元素命名方式也沿用至今。

徐壽深感科學教育的重要,又在 1876 年開辦了「格致書院」,專門培養科技人才;並於同年支持傅蘭雅出版《格致匯編》科技期刊,介紹西方的科學技術。徐壽晚年即搬入格致書院的寓所,最後亦病逝於此,他的努力終究來不及挽回中國的傾頹。

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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 540 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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醞釀兩千年才誕生的「原子論」,源頭竟然是古希臘哲學?——《奇怪的生物知識增加了》
聚光文創_96
・2021/10/08 ・2059字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/蘇仁福、曾明騰
  • 繪者/Oliver Wei、卡斯威爾

此原子非彼原子

俗話說:「眼見為憑」,除了民間習俗或是崇拜超自然的宗教信仰以外,面對於無法親眼所見的事物,人們普遍抱持著懷疑與不信任的態度,過去的科學研究也是如此。

前面兩章的故事告訴我們,早期的科學,就是專注於眼前看得到、摸得到的明確對象。隨著科學技術的進步,時至今日,科學家們卻是反其道而行,投身於肉眼看不見的微觀世界中,發掘其中的蛛絲馬跡。

「原子」(atom),是組成物質的最小單位。

舉凡我們身上穿的衣服、呼吸的空氣,甚至是代步的交通工具,這一切的一切,都是由「原子」——這是在我們生活中看不見、摸不著卻又確實存在的東西——所構成。

若是你認為書寫所使用的「原子筆」(ballpoint pen)跟這裡的「原子」是一樣的話,那可就是「張飛打岳飛,打得滿天飛」啦!

萬物起源

原子的概念,是距今兩千四百年前左右,由希臘哲學家德謨克利特(Democritus)所提出。

德謨克利特認為,宇宙中有無限多個質點,它們無法被進一步分解或是破壞。萬事萬物,都是由一大堆(究竟有多少他也不知道)、非常微小(小到多小他也莫宰羊)的質點所組成。

他將這些質點稱為「原子」,或者又叫「不可分割的東西」。他認為,正是因為這些原子的大小不一,形狀也不盡相同,造成世間萬物的存在型態、顏色、味道等種種不同。

或許在德謨克利特的眼中,我們這些麻瓜口中的物質與空間,根本就是原子和虛空。

圖/聚光文創提供

同樣的哲學時代,另一位希臘哲學家恩培多克利(Empedocles),則依據當時人們對化學較為粗淺的認知,提出了自己的原子理論。

恩培多克利認為,物質是由「火、氣、水、土」這四大元素所組成。這四大元素會依據不同的成分與比例混合,構成這個大千世界裡的萬事萬物。

圖/聚光文創提供

用現代的眼光來看,這些與原子相關的學說或理論,根本可以算是神作——這艱澀難懂的程度,恐怕也只有神才能夠通盤理解了——更別提,當代人受教育的比例不高,不夠通俗易懂的話,還真沒有多少人能夠消化。

正因為如此,原子論被古代哲學家棄置一旁。在之後,歐洲陷入了一段宗教狂熱的黑暗時期,一直到十九世紀,科學研究才再次登上世界的大舞臺。

曼徹斯特的驕傲

由於太過微小,可想而知,原子並非顯而易見的存在。

一七九三年,英國科學家道耳吞(John Dalton)搬到曼徹斯特,成為曼徹斯特新學院的數學和自然科學教師,揭開了原子研究的序幕。

出生於貧窮家庭的他,不僅對數學與自然科學天賦極高,還具備著科學家最重要的特質:好奇心。這個特質在他的生活中處處顯現,身為一個色盲患者,他甚至好奇的研究自己的視覺缺陷,因此成為第一個發表色盲研究論文的科學家。

圖/聚光文創提供

除了自己的疾病,道耳吞也熱愛氣象研究。終其一生,他都在進行長期的氣象觀測,直到他登出人生 online,持續了整整五十七年。

有人認為,正是這持續終身的氣象研究,讓道耳吞對大氣的成分產生了興趣。他那著名的原子論,也是在研究氣體的過程中逐漸成形。

在此之前,化學家已經發現,並且證實了許多定律,例如著名的「波以耳定律」、「質量守恆定律」、「定比定律」 等等。

這些定律,為早期的化學界逐漸建立化學元素的概念,卻依然缺乏一個完整的理論來整合說明。

一八〇三年九月六日,是道耳吞的三十七歲生日,他並沒有舉行宴會慶生,而是寫下了原子學說的基本假設。

圖/聚光文創提供

道耳吞的原子基本假設,是簡明扼要的三項原則:

  1. 原子是物質的最小單位,每種元素(element),都是由一種具有特定質量的原子所組成。
  2. 當兩種元素反應,生成不同的化合物時,其中一元素與另一種元素的質量,會構成簡單的整數比。
  3. 在化學反應過程中,不會產生新的原子,也不會有原子消失(或是變成其他原子)。
圖/聚光文創提供

一八〇八年,道耳吞出版了《化學哲學的新體系》(A New System of Chemical Philosophy)一書。在書中,道耳吞詳細的闡述了他的原子論,並且以獨特的符號,向人們展示他的原子。

——本文摘自《奇怪的生物知識增加了》,2021 年 10 月,聚光文創

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聚光文創_96
3 篇文章 ・ 2 位粉絲
據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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是誰住在深海的蝦子體內?竟然是早就禁用的多氯聯苯
Peggy Sha
・2017/02/17 ・2307字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

人們想像中的海底,總是神秘而未知的,對於我們而言,海洋深處甚至比月球還要難以捉摸,然而,最近一項發表於《自然─生態學與進化》(Nature Ecology and Evolution)的研究卻發現到:這片「地球最後的淨土」竟然也難逃人類的魔掌!潛藏於深海的汙染物逼著人們不得不重新檢視自己對於環境造成的影響。

海洋之心在哪裡?海平面下六公里

為了更理解海洋深處的情形,科學家決定探訪地球上「最後一個重要的海洋生態邊界」──超深淵帶(hadal zone),它是指海平面下 6 公里到 11 公里之間的海域,也就是所謂的海溝地帶。超深淵帶的物種數量和多樣性極低,生存方式也與地表動物大不相同,很多人認為這裡就像是外星球一樣獨特。

海溝多位於超深淵帶,深度約為海平面下 6 至 11 公里。 圖/評論圖片

人們對於深海的想像都是「原始而純粹的」,彷若世外桃源一般,但事實上,這些海溝卻像是垃圾掩埋場一樣,收集了所有落到海床的垃圾。

要如何知道深海的汙染情形呢?科學家利用裝了餌食的機器深入馬里亞納海溝(Mariana Trench)和克馬德克海溝(Kermadec Trench),捕捉短腳雙眼鉤蝦(Hirondellea gigas)。這種小型的端足類甲殼動物就像海中的清道夫一樣,基本上會吃掉一切從海面上掉落的有機物質。(沒錯,汙染物也是牠們的大餐)

科學家在這種鉤蝦中發現了 1970 年代就禁用的化學物質。圖/CC BY-SA 2.5, wikimedia commons.

由於持久性有機污染物(POPs)會破壞生物的激素,科學家藉由分析鉤蝦身上的脂肪組織,便能推斷汙染物造成的影響。

早已被禁止,海底仍難逃汙染物魔掌

這次研究中,發現了兩種早已在多年前被禁止使用的化學物質:多溴二苯醚(PBDEs)和多氯聯苯(PCBs)。

多溴二苯醚等溴化阻燃劑的防火效果極佳,不但可以減少起火的可能,也能阻礙大火的蔓延,但它難以分解、容易在自然中不斷累積,歐盟在 2003 年所通過的《危害性物質限制指令》(RoHS)中,已明令禁止使用此項化學物質。

多氯聯苯在 20 世紀曾經被普遍而廣泛地當作電器絕緣體,然而,由於它屬於致癌物質,會引發腦部、皮膚及內臟的疾病,美國早在 1979 年便已禁止生產此物質。多氯聯苯從 1930 年代開始生產到 1970 年代被禁為止,全球產量高達 130 萬噸。這些數量龐大汙染物會經由工業事故和外洩、不完全的焚化、垃圾掩埋場洩漏等各種方法滲進自然環境,無法被分解。

多氯聯苯的構造 圖/By D.328 – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

本研究取樣的兩個海溝彼此相距 7 千公里,深度皆達10公里,雖然遠離工業區,卻仍被偵測到這樣高劑量的汙染物質,說明人類產生的污染已經抵達地球上每個角落。在研究中,科學家更寫道這兩種汙染物簡直「無處不在」:

「在兩個海溝中,棲息於不同深度的生物樣本身上,都殘有多溴二苯醚和多氯聯苯。」

垃圾不分國界,海洋照單全收

雖然兩個海溝同樣遭到汙染,兩個海溝的汙染程度卻不大相同,研究發現:馬里亞納海溝的鉤蝦,身上所含的多氯聯苯濃度高於克馬德克海溝的鉤蝦。

為什麼兩個海溝之間存在這樣的差異,科學家目前尚不清楚,其中一個可能的推斷是:馬里亞納海溝的汙染物來自「大太平洋垃圾帶」(Great Pacific garbage patch)。這個垃圾帶的面積大約有美國德州的兩倍大,數百萬噸的塑膠和垃圾被洋流間的渦流纏住,因此形成了最大的海洋垃圾大平台。

海洋垃圾大平台,聽起來就很噁心。圖/By giogio55@Pixabay

在馬里亞納海溝中,所測到最高劑量的多氯聯苯,其濃度大約是「某隻螃蟹」的 50 倍──可別小看這隻螃蟹,牠來自一畝經由遼河灌溉的稻田,而遼河是目前中國境內汙染情形最為嚴重的河流。

那麼,這麼高劑量的汙染物到底有多可怕呢?

研究者認為,這些汙染物可能是透過遭汙染的塑膠碎片和沉入海床的動物屍體,來到海溝深處,而後被深海動物分食。換言之,深海就像是汙染物的秘密儲藏室一樣。根據生物累積的理論,這些汙染物在淺層海水層的濃度會高上好幾倍,對於人類的危害也相對更加顯著。

不過,來自澳洲新南威爾斯大學的研究員 Katherine Dafforn(並未參與此研究),在一篇相關評論中則認為,雖然研究團隊量化了超深淵帶的汙染物,但這些汙染物到底從何而來?如何而來?確切原因仍然未明,而這些生物受到的污染對於食物鏈頂層的影響也仍待進一步研究。但她也強調:

這份研究清楚證明了即便深海看似遙遠,卻與表層海水有著密切關聯,也同樣會面臨人造汙染物的威脅。

原文出處:

參考資料:

  1. Alan J. Jamieson, Tamas Malkocs, Stuart B. Piertney, Toyonobu Fujii & Zulin Zhang, “Bioaccumulation of persistent organic pollutants in the deepest ocean fauna“, Nature Ecology & Evolution 1, Article number: 0051 (2017) doi:10.1038/s41559-016-0051
  2. 超深淵帶 維基百科
  3. 多溴二苯醚 維基百科
  4. 多氯聯苯 維基百科
  5. 大太平洋垃圾帶 維基百科
  6. Katherine Dafforn, “Ecotoxicology: Pollutants plumb the depths” , Nature Ecology & Evolution 1, Article number: 0075 (2017) doi:10.1038/s41559-017-0075
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。