「負離子」真的有拿～麼厲害？——《化學有多重要，為什麼我從來不知道？》

林俊傑《江南》：「相信愛一天，抵過永遠，在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久？這出自佛經的時間單位有多個解讀，其中最短，可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢？ 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒，是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間，別說是談戀愛了，連世界上行動最快的光，也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡，連光都得停下腳步，過去我們認為捉摸不定的電子，也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎，正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域，探索全新世界的科學家。而這項技術，還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍！

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧，領域展開！

什麼是阿秒脈衝雷射？

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ，表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

所謂的阿秒脈衝雷射，指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標，就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照，能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎，就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後，雷射領域再次得獎，但這次是更快的阿秒雷射，能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此？看見電子能帶來什麼突破？

為什麼看見電子的運動那麼重要呢？我們複習一下原子的基本構造，在原子核之外，帶有微小負電荷的電子，被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置，而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方，也就是所謂的電子雲。

雖然電子的體積比原子核小很多，但電子雲的範圍，卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中，真正和其他原子產生交互作用的，幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中，當男女主角手心貼著手心，奧本海默這時卻說：「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此，因為我們觸摸到的物體，都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

對了，這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講，一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手，不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質，各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說，電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像，如果我們能看見電子，甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術，我們能真正成為材料的創世神，許多不可能都將化為可能，是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難？

但要操縱電子可不是什麼簡單的事，不只是因為電子非常小，更重要的是他們動得非常快。具體來說，電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒，也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺，速度等於距離除以週期，換算下來，電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動，就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級，否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣，只能拍到一團糊糊的影像，而沒辦法分出勝負。

可是，在 1980 年代，脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右，還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化，已經沒辦法再縮短脈衝時間了，因此這時候，就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝？

首先，要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想，我們在拍照時，想要讓曝光時間更短，要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光，而是調快快門的開闔速度，讓光一段一段進入感光元件中，變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號，就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射，一直以來在做的都是同一件事，在整體輸出功率不變的情況下，讓每一次脈衝的持續時間更短，同時單一次的功率也會更高。簡單來說，就是要從無數次的普通攻擊，變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢？光和其他波動一樣，可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起，波峰和波谷會抵消，波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光，就可以在整體總能量不變的情況下，產生一個超級窄的波峰，其他地方全部抵銷。

1987 年，本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現，當紅外線雷射穿過惰性氣體時，氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光，而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍，從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光，就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了，真的有那麼簡單嗎？

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中，當一道強度夠強的雷射通過氣體原子，原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在，但此時，在電子的大小尺度下，量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象，穿過這道束縛，暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹，我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

但電子還來不及逃遠，雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰，不是指能量的高和低，而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下，不幸的電子被推回原子核附近，再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後，電子並非一無所獲，他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射，因此電子放出的光波長，也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些，你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後，一口氣釋放這些能量，所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代，科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下，利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法，分離出 650 阿秒的脈衝。

最後，獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後，我們的世界將迎來哪些變化呢？

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊，有在關注諾貝爾獎都知道，諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究，前面講的研究，實際上都已經是二十多年前的往事了，而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀，正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗，成為非常普及的實驗技術，而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然，今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外，有興趣的話，別忘了點擊下方影片，看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多，阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢？當然，它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質，但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上，阿秒雷射可以用來做什麼？

在過去這二十年，許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

舉例來說，在醫療方面，阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子，讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長，分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起，造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣，能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合，成為個人化的健康狀態報表，或是做為診斷的依據，將精準醫療提升到全新的層次。

不只如此，發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關，不斷的開開關關去發送一跟零的訊號，所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體，工作頻率通常不超過上百 GHz ，在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後，就有科學家想到：既然雷射脈衝的速度更快，那不如就別用半導體了，改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體（Optical Transistor）。

今年初，亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝，來開關電流並傳送一與零的位元，這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快，或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解，阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明，讓人們看見那些最遠和最小的事物，超快脈衝用最快的時間解析度，讓我們看到許多人類從未看過的景象。

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參考資料

• https://www.nobelprize.org/prizes/phy…
• Announcement of the 2023 Nobel Prize …  
• “This breakthrough opens the world of…  
• https://www.nature.com/articles/d4158…
• https://www.kva.se/en/news/the-nobel-…
• https://www.rp-photonics.com/mode_loc…
• https://dop.nycu.edu.tw/ch/page.html?…
• https://www.science.org/doi/10.1126/s…
• https://www.science.org/doi/10.1126/s…
• https://www.attoworld.de/news/cover-s…
• https://www.attoworld.de/bird/our-res…

前面幾章都在談元素週期表，但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版，而且為什麼現在的教科書、文章、網路，提供這麼多種元素週期表？有沒有「最理想的」元素週期表？追求最理想的元素週期表有意義嗎？如果有，我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展？

種類數量可觀的元素週期表

愛德華．馬蘇爾斯（Edward Mazurs）關於週期表歷史的經典著作中，收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來，大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右；之後，期間至少又有三百張週期表問世，如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表，這件事情需要好好解釋。當然，這些元素週期表中，許多並沒有新的資訊，有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表，留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體：有圓形的還有立體的？

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式：短元素週期表、中長元素週期表、長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息，但相同原子價（編按：原子的價數，金屬為正價、非金屬為負價）的元素，在這些表中有不同的分族。

此外，有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形和橢圓的週期系統，比起長方形的元素週期表，更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上，在圓形或橢圓形的系統中，週期的結尾不會中斷，例如氖和鈉、氬和鉀。

但是，不像時鐘上的週期，元素週期表的週期長度不同，因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲（Benfey）的元素週期表（圖 37），過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表，例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多．杜福爾（Fernando Dufour）所設計的（圖 38）。

但我認為，這些變體都只是改變週期系統的描繪形式，它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的，是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前，我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單，至少表面上是，因此吸引業餘的科學家大展身手，發展新的版本，也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然，過去有過幾次，化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東．范登．布魯克，他是經濟學家，也是首先想到原子序的人，他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾．雅內（Charles Janet），他在一九二九年發表「左階式元素週期表」（Left-step periodic table），後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注（圖 39）。

「理想」的追求

那麼，追求最理想的元素週期表真的有意義嗎？我認為，這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面，如果一個人相信，元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實，那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言，追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表，即便這樣的表還沒制訂出來。

另一方面，工具論者或反實在論者看待元素週期表，可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此，就不必熱切尋找最理想的元素週期表，畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說，元素究竟如何呈現並不重要，因為他們相信我們處理的，不是元素之間的自然關係，而是人造關係。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表：複雜宇宙的簡潔圖表》，2023 年 4 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

雖然門得列夫一直思考著元素、原子量、分類，但是足足想了十年之久，才終於迎來「我發現了！」這個時刻，就是一八六九年二月十七日這一天，也許可以訂為「我發現了！」紀念日。這一天，他取消了以顧問身分視察起司工廠的行程，決定投入研究他日後最膾炙人口的代表作——元素週期表。

真正的發現

首先，他在起司工廠邀請函的背後，把幾個元素的符號列成兩行：

接著，他列出一個稍微更大的陣列，包括十六個元素：

當天晚上，門得列夫就把整個元素週期表都畫了出來，包括六十三個已知元素。此外，這張表還留了幾個空格給當時未知的元素，甚至預測這些未知元素的原子量。

他將這張表複印兩百份，寄給整個歐洲的化學家。同年三月六日，門得列夫的同事在俄羅斯化學學會一場會議上宣布這項發現。一個月內，這個新成立的學會就在期刊上刊登了一篇文章，另一篇更長的則在德國發表。

多數關於門得列夫的大眾讀物和紀錄片會說他在夢中想到他的元素週期表，或在玩紙牌接龍時把牌當成一個個元素。這兩個故事，尤其後者，現在已經被許多門得列夫的傳記作者視為是杜撰的，例如科學史家麥克．戈爾丁（Michael Gordin）。

原則的堅持

還是回來討論門得列夫的科學方法吧。他和對手洛塔爾．邁耶爾很大的不同是，他不相信所有物質的統一性，也不支持普洛特關於元素具有複合性質的假說。門得列夫也刻意與三元素組的想法保持距離。例如，他提出氟應該和氯、溴、碘放在一起，形成一個至少四個元素的族。

洛塔爾．邁耶爾專注於物理原則，主要關注元素的物理性質，而門得列夫則非常熟悉元素的化學性質。然而，說到分類元素最重要的標準時，門得列夫堅持以原子量排序，不容許有任何例外。當然，許多在門得列夫之前的人，例如尚古多、紐蘭茲、奧德林，以及洛塔爾．邁耶爾都承認原子量的重要性，儘管程度不一。但是門得列夫對原子量與元素的本質有更深層的哲學理解，得以一探尚未被人發現的元素，進入這個未知領域。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表：複雜宇宙的簡潔圖表》，2023 年 4 月，日出出版，未經同意請勿轉載。