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曬傷敷蘆薈有效嗎?簡易六步驟急救你曬傷的皮膚!

MedPartner_96
・2019/07/06 ・3473字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

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曬傷是許多人都有過的經驗,在歐洲的文獻回顧中發現有 20%-70% 的人在一年內有過不同程度曬傷的經驗(台灣應該比較少,但還是不少人曬傷),和中暑一樣,都是炎炎夏日中常會遇到的問題。

但大家對於曬傷的處理知識都正確嗎?在我們不科學隨機抽問了一小群網友後,發現大家的曬傷處理概念多數都不完整,在關鍵 6 步驟中平均只答對了 2.8 個⋯⋯ 因此我們決定從曬傷的機轉、處理以及預防完整濃縮成一篇知識文分享給大家。如同先前的文章,我們不太希望大家用「硬背」把步驟記下來,而是完整理解曬傷相關的成因和相關變化,一但發生的時候,才能隨機應變,用最接近正確的方式處理曬傷問題。

廢話不多說,我們開始上課囉!

急救之前,先了解「曬傷」是怎麼產生的?

曬傷其實跟灼傷是一樣的概念,主要是皮膚接受過量的紫外線照射後產生了熱傷害。紫外線中波長較長且能量較低的 UVA 容易造成曬黑、曬老,而波長較短且能量較強的 UVB 容易造成曬紅、曬傷。所以如果擔心曬傷的話,主要必須防護的目標是 UVB 為主。但多數人也擔心曬黑、曬老的問題,所以涵蓋 UVA 波段的完整防曬就很重要了。常見的曬傷依照嚴重的程度可以分為兩種:

  1. 較輕微、侷限在表皮層的曬傷。會呈現發紅脫皮的反應。屬於一度灼傷
  2. 較嚴重的曬傷,紫外線已經傷害到真皮層,可能觀察到出現水泡伴隨劇烈疼痛。屬於淺二度灼傷

怕大家沒辦法分辨,附上同一人,兩種不同程度曬傷的照片給大家參考:起水泡的區域就是曬傷至真皮層導致淺二度灼傷,而單純發紅的區域就是曬傷侷限於表皮的一度灼傷。

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沒擦防曬乳曬傷後三天的皮膚變化,發紅的一度灼傷與起水泡的淺二度灼傷。 圖/Axelv and available via CC BY-SA 3.0

但曬傷其實是一連串的皮膚病理變化,在剛開始的幾小時內,皮膚內的發炎細胞會開始作用,讓血管通透性增加,出現發炎的紅、腫、熱、痛反應。變紅的情形常在曬傷後即刻、或於曬後的 3-4 小時左右出現,通常在曬傷後 12-24 小時達到高峰。黑色素細胞也會因為紫外線的刺激,開始分泌黑色素,作為一種自衛機制,所以曬黑可以是很快的事,等到曬傷的紅色退了之後,曬黑的情況會在曬後的第二、三天左右最明顯。因曬傷而受損的表皮會接著開始脫落,這個階段會感覺自己跟一條蛇一樣,不停掉下皮屑。等到皮屑掉完,整個曬傷的急性期就差不多結束,留下的就是比以前黝黑的肌膚,要隨著時間才會慢慢淡化到原本的膚色了。

但不要以為曬傷只有這麼簡單,其實曬傷還有許多長期的問題,例如皮膚的老化長皺紋皮膚癌角質異常增厚,眼睛也可能因為過度日曬導致白內障。另外曬傷之後的皮膚,看起來似乎已經完全復原,不過一旦嚴重曬傷之後,該區域的皮膚即使復原了,也會變得比較脆弱、以後也可能更容易長斑。所以醫師才會這麼苦口婆心,整天在提醒大家要注意防曬,這不只是為了美麗的考量,更是健康的考量啊!

這邊插播曬傷的番外篇:如果觀察力很敏銳的話,你可能會發現通常皮膚顏色越白的人越容易曬傷,而皮膚越黑的人就越不容易曬傷。這主要跟皮膚內的黑色素分布密度有關,有興趣的朋友可以回去參考美白全攻略的這篇文章。其實黑色素雖然讓你看起來黑,但也同時具有吸收紫外線、清除自由基、保護膠原蛋白跟 DNA 的功能喔!

雖然多數的曬傷可以在曬後的三天左右逐漸自癒,但曬傷的急性期處理觀念還是很重要。以下我們依照美國皮膚科醫學會有關曬傷處置的建議,依照台灣環境微調,給大家曬傷處理的關鍵步驟建議。

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曬傷處理六步驟:降溫、保濕、止痛、補水、避免感染、加強遮蔽

【冷水降溫】最簡單的做法是沖冷水澡,或者用毛巾沾冷水覆蓋在曬傷處,但建議避免用冰塊冰敷。因為冰敷雖有不錯的降溫效果,但曬傷受損的皮膚也較容易被凍傷。這跟灼傷急救的第一步概念完全一樣。

【保濕】沖完澡後,用毛巾輕輕拍乾身體,但不必完全擦乾,保留一些水分在皮膚上。並且擦上成分單純、無香精、無色素或其他刺激物質的保濕產品。防曬後鎮定用的蘆薈產品是可以考慮選用,但要注意的是,能夠產生鎮定效果的只有蘆薈裡面的蘆薈膠,它應該是透明無色的。如果你買的產品是綠色的,必定是添加了其他物質或色素,那就不建議使用。如果有人好心拿了整條蘆薈要給你用,請不要傻傻就整條抹得很開心。別忘了蘆薈的綠色外皮以及汁液是有刺激性的,只有中間透明的蘆薈膠才有用啊!

為了避免大家犯傻,貼上蘆薈玉照一張。外面那層綠色的,還有流出來的黃色汁液都是有刺激性的,只能用中間完全透明的那塊喔!有些網友會想用小黃瓜或西瓜皮這類東西來保濕,這不會不行,但僅限於輕微發紅的曬傷,如果有開放性傷口就不宜使用,而且其實效果不是很強啦⋯⋯

外面那層綠色的,還有流出來的黃色汁液都是有刺激性的,只能用中間完全透明的!圖/Max Pixel

止痛】如果皮膚真的很痛,可以考慮使用局部外用低濃度類固醇藥膏,但如果有破皮的區域就不能使用不能使用局部麻醉效果的藥膏以避免刺激或產生過敏反應。如果還是很痛,可考慮使用口服阿斯匹靈 (Aspirin)、Ibuprophen 、乙醯胺酚 (Acetaminophen) 等非類固醇止痛藥,但不建議使用口服類固醇止痛。

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千萬不要去抹什麼牙膏、醬油這些怪東西,那不但沒幫助還增加感染風險!

補充水分】曬傷會導致角質層鎖水的能力下降,因此體內的水分容易流失。補充充足的水分可以降低脫水的風險,也能緩減其他劇烈曝曬後的不適,例如中暑。至於補水的方式,直接飲水就可以,有些人會想去打點滴,在多數狀況下沒有必要。

不要戳破水泡】假如曬傷嚴重到起水泡的話,應該讓水泡自己消掉、癒合。刻意弄破水泡會增加感染的風險。如果水泡不小心破了,請用生理食鹽水沖乾淨後就醫。如果水泡面積很大,那代表曬傷嚴重,應該要直接就醫。

加強物理性防曬】在曬傷復原期間,儘量用衣物、傘、帽遮蔽的方式儘量防曬。這時候受損的皮膚已經不適合塗抹防曬產品了,只能儘量避免曝曬,不得已要出門時,就用物理性的方式加強遮蔽,避免已經受傷的皮膚繼續受到紫外線的傷害。

依照上面的 6 點關鍵操作,就可以有效控制曬傷的情形不要惡化,讓皮膚儘速復原。另外要提醒的是,如果有嚴重的大片曬傷合併水泡,或有其他嚴重熱傷害的症狀例如:體溫上升發燒、劇烈頭痛、意識狀態不清、噁心、嘔吐、視力模糊或昏迷的情況,請務必直接就醫不要拖延喔!

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與其事後急救,不如加強防曬觀念吧!

不過大家都知道,預防重於治療,與其曬傷之後來想怎麼處理,不如一開始就好好預防曬傷發生。接下來跟大家分享預防曬傷的關鍵。

最簡單的方式就是避免在上午 10 點至下午 3 點這段紫外線最猛烈的時間出門。如果不得已要出門,請搭配使用防曬的帽子、長袖深色衣物、外套、陽傘、太陽眼鏡等等。有關防曬衣物的選用,可以參考這篇有關UPF的介紹文章。這些儘量都能做到後,再搭配防曬乳使用。需要特別注意的是,許多曬傷都是在海邊發生,關鍵原因常是因為沒有補擦防曬產品。如果要下水,請務必注意你選的防曬產品的抗水能力,至於要怎麼看,請回去複習這篇文章

以上的這些重點都能做到,相信大家一定可以安心度過這個夏天啦!

  1. American Academy of Dermatology : How to treat sunburn?
  2. Uptodate: Patient education: Sunburn (Beyond the Basics)
  3. Uptodate: Sunburn
  4. Cosmeceuticals, 3rd edition
  5. 台灣藥粧品學研習專業小組討論講義(邱品齊醫師提供)
  6. 衛生福利部疾病管制署

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文章難易度
MedPartner_96
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一位醫師用一年時間和100萬,夢想用正確醫美和保養知識扭轉亂象的過程。 Med,是Medicine,醫學的縮解。Med 唸起來也是「美的」。我們希望用醫學專業,分享更多美的知識。Partner則是我們對彼此關係的想像。我們認為醫師和求診者不只是醫病關係,更應該是夥伴關係。 如果您也認同我們的理想,歡迎和我們一起傳播更多正確的醫美知識。 我們的內容製作,完全由MedPartner專業醫療團隊負責,拒絕任何業配。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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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

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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

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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  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
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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。