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兩百年前的原子量是怎麼誕生的?

姚荏富_96
・2021/03/08 ・2248字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係,但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎?又或者原子量到底要用來幹嘛的呢?我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案,所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」,今天如果想要測量一個物質的質量,通常是把物質放到天秤上來測量,但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,並不是不可能啦,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到(當然,還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡,什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題)。

要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,其實並不是不可能,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到。圖/Wikipedia

有趣的是,早在 18 世紀末期,原子量就出現了!還有具體的數字以及對照表(雖然說跟現在比起來有不少的誤差),兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用,想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量,那這些原子量是怎麼出現的呢?

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期,科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」,而組成物質的「最小單位」叫做「原子」。

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在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法,但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同;在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球,會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」,像是氫就有氫原子、氧就有氧原子,你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的,以水為例,水中含有氫與氧,但不管是你的合成水或是野外裝到的水,他的質量比都會是 1:8,這就好像上帝的食譜一樣,每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢?則是成份元素如果種類相同的話,每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係。舉例來說,甲烷和乙烯兩個都是由碳與氫組成的化合物,這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例,就會發現當我碳固定質量時,甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2:1。

瞭解這兩個原理之後,科學家發現了相同化合物裡面的元素質量,和不同化合物的元素質量之間,都有著微妙的比例關係;但他們有一個問題遲遲無法解決,那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。

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這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍,他將化合物分為最簡單的二元(AB)、三元(A2B or AB2)以及四元(AB3 or A3B),並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話,那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷,但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

如果道爾吞沒有將化合物定義為最簡單的二元(AB)、三元(A2B or AB2)以及四元(AB3 or A3B),原子量的概念就不會這麼早出來。圖/Wikipedia

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則,將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1(雖然現在我們的氫也是 1,但與這時的氫原子量概念並不完全相同),並以此為基準做了大量的原子量計算。

像是根據氨的重量分析,其中氫和氮的重量組成 20:80,那依照上面氫原子量是一的情況下,氮的原子量就是 4(現在看是錯的喇,因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH3);又或者是根據水的重量分析,其中氫與氧的重量組成是 15:85,所以氧的原子量是 5.66,又再用氧的原子量去分析碳酸氣(二氧化碳),得出碳的原子量就是 4.5。

以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字,而是一個相對質量的概念,所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

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不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣,但這又是另一個故事了,我們暫且打住。

原子量的測定邏輯,基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在,其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量,我們還可以找出物質化合的質量比例,來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

  •  1789 年:愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》,除了支持拉瓦節的觀點外,他也推測原子只能按一定比例進行化合
  • 1792~1802 年:李希特(J.B Richter)提出定比定律
  • 1799 年:法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定,確定定比定律
  • 1800 年:戴維在《化學和哲學研究》分析了 N2O、NO、NO2 的重量組成(倍比定律的起始)
  • 1801 年:貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
  • 1803 年:道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
  • 1804 年:道爾吞分析甲烷和乙烯之比例,提出倍比定律
  • 1808 年:道爾吞出版《化學哲學新體系》
  1. 化學通史—凡異出版
  2. 化學史傳—商務印書館
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姚荏富_96
3 篇文章 ・ 6 位粉絲
成大化學畢,文字/影像工作者,LIS初代科學史圖書館,著有《科學史上最有梗的20堂化學課》。興趣廣泛,涉足科普寫作、影像製作、投資理財、社會觀察、社群經營......技能樹持續擴張中,目標是將學會的知識或技能用有趣簡單的方式分享給大家。

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃

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人類的「長跑」很厲害?靠「跑」在荒野中脫穎而出
F 編_96
・2024/12/26 ・3048字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷(Death Valley)「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下,每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事:Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上,跑步或走完 217 公里的山路,一路衝向位於美國本土最高峰(聖女峰)附近的終點。這聽來猶如天方夜譚,但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地,為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去?

事實上,速度上我們遠不及同等體型的動物,例如豹或馬,然而要比拼耐力,人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗,即使我們在短程衝刺中會被輕易超越,仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕,最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力?。

在跑步上,人類以耐力著稱,可透過拉長距離讓速度更快的動物因高溫與疲勞而屈服。圖/envato

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測,大約 700 萬年前,類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」,轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙,卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢:

  1. 更廣闊視野:直立行走時,頭部位置提高,有利於觀察周遭環境,提早發現危險或獵物。
  2. 省力遷徙:兩足步態下,移動同樣距離所需能量相對降低,足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化,人科動物(hominids)在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上,並非以速度壓倒對手,而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設:古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物,待獵物體溫過熱而力竭之際,人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力,另一方面倚仗強大的散熱能力。

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足部與下肢結構:為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼(Daniel Lieberman)指出,人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡,稍加留意便能發現許多奧祕。

  1. 短腳趾與足弓結構
    • 人類的腳趾較短,是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長,每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
    • 足弓(包括足底肌腱與韌帶)則具備彈簧般的功能,可在踩踏地面時儲存彈性能量,接著釋放推力,減少肌肉能量消耗。
  2. 強力肌腱與韌帶
    • 跟腱(Achilles tendon)和髂脛束(IT band)都能吸收並釋放大量彈力,在跑步時有效節省體力。
    • 透過肌腱的彈性能量回饋,跑者在每一步落地與蹬地之間,都能減少額外的肌肉耗損。
  3. 臀部肌群的角色
    • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌(gluteus maximus),能夠穩定軀幹,使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
    • 這種「穩定性」非常關鍵,它能支撐直立姿勢,維持跑步時的協調和平衡。
人類發達的臀大肌穩定軀幹,得以支撐直立姿勢,提升跑步時協調與平衡的能力。圖/envato

軀幹與上肢:不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

  1. 擺臂對頭部穩定的影響
    • 當我們在跑步時,雙臂自然擺動,有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩;換言之,手臂的擺動能對沖下肢動量,讓我們在快速移動時仍保持穩定,頭部不至於過度搖晃。
    • 猿類上肢肌肉發達,卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性(能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線),這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
  2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
    • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接,跑步時,骨盆能與肩部做出相對扭轉運動,使軀幹整體更靈活。
    • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏:腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統:靠「排汗」征服烈日

人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。圖/envato

在非洲大草原上奔跑,面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力,甚至能在午後與動物「耐力大戰」?

  1. 排汗與體溫調節
    • 大多數動物主要依賴氣喘(如狗的哈氣)或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺;這使我們可藉由大量流汗帶走熱量,再透過汗液蒸發達到降溫效果。
    • 雖然我們也會因此流失水分與電解質,但只要能適度補充,便能持續散熱。而某些大型哺乳動物,在持續奔跑一段時間後,往往因過熱而只能停下休息。
  2. 無毛皮膚與蒸發效率
    • 相較於其他哺乳類,人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域,大片皮膚裸露,有助於排汗時的蒸發散熱。
    • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果,確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵,而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式:維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時,呼吸通常與四肢步態高度耦合,比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣,較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態,使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

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  • 獨立呼吸調節
    • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率,不一定要剛好配合腿部的落地次數。
    • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中,能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
  • 嘴巴與鼻子的雙重進氣
    • 為支撐長時間有氧運動,跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸,以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
    • 相較之下,某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率,一旦體溫飆升,便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會,大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物,我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項,到極端氣候下的 Badwater 135,人類透過持續的鍛鍊與後勤補給,一次又一次突破極限。

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運動員的大腦跟一般人不一樣?從腦科學看體力之外的奪冠秘笈
F 編_96
・2024/12/17 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」?這種天賦到底是什麼?運動員哪裡跟我們不一樣?這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現,運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異,這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力,還要比腦力了嗎?這些差異具體差在哪裡?

快速反應:視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中,快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現,職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景,例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊,並迅速做出反應。

擁有快速的視覺處理能力,對團體運動來說至關重要。圖/envato

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場,例如在傷後復健階段,確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

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肌肉記憶:動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言,肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示,大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊,最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考,便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動,這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力:球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力,例如棒球擊球手能根據投手的動作,快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現,當擊球手預測投手的投球軌跡時,大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中,學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現,潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域,如上顳溝(STS),比普通人更厚,這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

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平衡與空間感:身體控制的高峰

對體操選手來說,擁有非凡的平衡感與空間感知能力,兩者缺一不可,而這在科學上被稱為「本體感覺」(proprioception)。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態,即使在空中失誤也能及時修正動作。

對體操選手來說,平衡感與空間感知能力非常重要。圖/envato

然而,當這套「安全網」失靈時,可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中,體操選手西蒙·拜爾斯(Simone Biles)因「扭轉失靈」而一度無法控制動作,凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性:多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換,例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示,運動員,特別是參與高強度間歇訓練的選手,擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出,這些能力的提升可能與長期訓練相關,但確切機制仍需進一步研究。

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抗衰老的秘密:運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響,可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響,可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科(Olga Kotelko),她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康,其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為,持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

運動不只是對身體的鍛鍊,對維持大腦健康也有影響。圖/envato

下一代的訓練策略:腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步,科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練,例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾(Kylie Steel)指出,運動員的身體或許會訓練至極限,但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如,足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門,以提升大腦靈活性,幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響,運動改變的不僅是肌肉,還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶,再到抗衰老的腦部結構,透過運動與科學的結合,將為未來的運動員開啟全新可能性,也提醒我們,持續鍛煉不僅益於身體,也有助於大腦的健康。

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