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整個宇宙,都像是科學家的廣播電台!進化版的光波收音機

活躍星系核_96
・2021/03/26 ・2570字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

  • 文/ 蔡乃玉、游雨婕│ 臺灣大學物理學系學生

即使是目前發現最靠近地球的黑洞,也距離我們遠達上千光年,更別說那些上萬、上億光年的遙遠天體了,面對如此遙不可及的距離,你是否有想過,科學家究竟是得到來自它們的訊息呢?現今人類到底運用了什麼樣的科技,竟然可以獲得億萬光年之外的宇宙訊息?

無線電波,就是科學家的好工具!

整個宇宙,都像是科學家的廣播電台!

所謂的無線電波(Radio Wave),通常是指波長在 100000 公里(108 公尺)到 0.1 毫米(10-4 公尺)之間,頻率為 3 Hz~3000 GHz(3 THz)的電磁波段,一般通訊使用的頻段大約落在 3 kHz ~ 30 GHz,30~300 GHz 的頻段又因波長大小,稱為「毫米波」,是未來 5G 通訊使用的頻段。

(2021 / 4 / 1)編按:更正頻率與波長對應的錯誤,無線電波的定義以國際電信聯盟(ITU)的無線電頻譜為準,毫米波的頻段跟微波重疊,而 3 THz 也已經接近遠紅外線(FIR)的頻段。

事實上,無線電波不只可以拿來接收宇宙資訊,在我們的日常生活中,其實早就有很多使用無線電的裝置,像是廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽都是透過無線電波來傳訊的唷!

大家在聆聽廣播時,多多少少都有聽過「AM、FM」這兩個字彙,你知道它們分別代表的意思是什麼嗎?

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廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽等日常生活中常見的設備,都是透過無線電波來傳訊。圖/Pexels

AM、FM 是兩種傳遞信號的技術,也是我們生活中最容易接觸到的傳訊技術之二,它們可以讓「電磁波的振幅」隨著不同的因素而變化,同樣的,我們也可以讓無線電透過這兩種方法來傳遞訊號。

首先,AM,是振幅調變 (amplitude modulation) 的簡寫,它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「振幅」而改變,當聲波的振幅變大、電磁波的振幅也變大,早期無線電大多使用這種技術,它可以讓訊號傳遞到比較廣的地方,但缺點是噪音很多。

FM 即為調頻 (frequency modulation) ,它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「頻率」而改變,雖然 FM 沒有辦法像 AM 傳遞到那麼遠,但 FM 的優點是噪音比較少。

然而,即使 FM 的噪音已經減少了很多,FM 的噪音仍然很難、很難完全去除,相信大家聆聽 FM 廣播電台時,也有這樣的困擾。對於科學家來說,這可是不能默默忍受的缺點!因此,科學家也不斷努力研發出降低、去除無線電噪音的技術。

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無線電波不夠讚,把它變成「光」吧!

光學纖維(俗稱光纖)是一種使用石英玻璃或塑膠製成的纖維,會用「光」進行資料傳輸,比起剛剛所提到的 FM 和 AM ,光纖不僅速度更快、噪音也更少!

由此可知,「光」也是非常棒的傳訊技術,若我們可以將無線電波轉為光波,就可以像光纖一樣,更有效的降低噪音!目前已經有很多種方式能夠將這兩種電磁波進行轉換,在市面上,我們也早就可以很簡單的買到光電轉換器囉!

利用光在玻璃或塑料製成的纖維中以全反射原理傳輸的光纖,有效提升了訊號傳遞的效率。圖/Pixabay

為了讓光波傳訊的品質更上一層樓,科學家們研發出光學相位調變 (optical phase modulation) 技術,偵測光的「相位」變化來使得精密度提高,可以有效降低無線電噪音,進而提高訊息的完整度

以 T.Bagci 和 A.Simonsen 曾發表在 Nature 的論文為例,該研究團隊使用了奈米薄膜為材料,而奈米薄膜可以結合「無線電波頻率共振電路 」和 「薄膜表面反射的光」,使得這些無線電頻率訊號能夠透過光學的相位變化的形式被觀測到,也就是將無線電波轉換成了光波,以光波的形式傳遞。

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以這種方式傳遞訊息的話,連極小的尺度都能被觀測,非常靈敏。

用數據來比較的話,噪音的單位 V/ √Hz (伏特/√赫茲),現在市面上的光電轉換器能將噪音降低到 nV 尺度(奈米級,10-9),而對這一項技術電路本身的噪音為 800pV/√Hz(飛米級,10-12),轉換成光波後最低可降至 5pV/√Hz!

5pV/√Hz 的噪音有多低呢?論文指出,對 MRI 而言,對噪音的要求只要低於200pV/Hz 就足夠了!噪音被大幅降低後,不但可以讓訊號不失真,也可以讓弱小的訊號更容易被偵測到。

光、電怎麼變身?就像大鼓變芝麻(X)

以下將簡述這個裝置的原理,以及轉換的進行過程。

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實驗中使用了鍍了鋁的氮化矽的奈米薄膜,當輸入無線電訊號進去時,奈米薄膜就會像鼓面受到震動一樣,當輸入的訊號不同,鼓面震動的幅度也會不同。

此時,將雷射光照到薄膜上時,就像灑一把芝麻到鼓面上,隨著鼓面著震動,芝麻會跑到不同的地方去,而我們只要藉由觀察芝麻的反應,也就是反射光的變化,就可以得知輸入的訊號了。

科學家們就是透過這樣的方法,順利將無線電訊號以低噪音的方式轉換成光波。

實驗示意圖。

如同前文所提到的數據,在這個實驗進行時,電路本身還是會有些許噪音,大約800pV/√Hz 左右,主要來源為熱擾動,科學家們為了更進一步地減少噪音,除了光學相位調變技術之外,也搭配並採取了降低溫度、施加電壓以抵銷噪音頻率等等措施,成功讓無線電的噪音被降到極低的尺度。

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當我們可以聽到更細膩的聲音後…?

這項技術將可以將無線電波轉換成低噪的光波,因此可以用已經建立好的測量模型來觀測這些信號,讓人類得以研究這些微小的電波,使我們可以得到比以前更精準的訊號,觀測到以前所無法得到的宇宙訊息,或是讓核磁共振圖像更精準,是電子學在訊號傳遞上的一大突破!

未來,隨著通訊技術日新月異,你覺得我們可以在宇宙之間得到讓人意想不到的訊息嗎?也許…來自外星生物的打招呼訊息?讓我們一起解開更多來自外太空的秘密吧!

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

參考資料:

  1. Bagci, T. et al. Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer. Nature 507, 81–85 (2014).
  2. A. Horneff; B. Schlecker; M. Häberle; E. Hell; J. Ulrici; V. Rasche; J. Anders. “A New CMOS Broadband, High Impedance LNA for MRI Achieving an Input Referred Voltage Noise Spectral Density of 200pV/Hz√” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.
  3. 無線電(Radio Waves)
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活躍星系核_96
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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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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誰在海邊蓋天文台啊(惱)──世界第一座電波干涉儀
全國大學天文社聯盟
・2022/04/15 ・4114字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 文/玄冥
    曾經做過 Radio Astronomy,現在叛逃去 Structure Formation 了,但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨,澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待,將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前,他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向,但是今天不一樣,他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道,他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術(Radio Interferometry),用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術,如果說大家對電波干涉術不熟悉的話,那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新(圖一)。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術,拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡(EHT)」(圖二)。

圖一:事件視界望遠鏡拍攝之 M87 星系中心的超大質量黑洞。圖/EHT
圖二:事件視界望遠鏡。圖/NRAO

大家聽到「電波干涉儀」時,腦海中浮出的想像,可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上,電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的(圖三),以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術,再介紹兩者結合的原理,一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

圖三:在澳洲 Dover Heights 岸邊的電波干涉儀。圖/CSIRO

什麼是無線電波?

無線電波(Radio wave,簡稱電波)是一種電磁波,它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播,以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段,因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是,相對於可見光波,電波波長更長(約 1 mm 以上),較容易穿過障礙物,讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體(如原恆星)。然而,能穿透障礙物的代價是,在相同的望遠鏡口徑下,電波望遠鏡的「角解析度(Angular resolution)」比較低。

角解析度(或稱角分辨率)是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力,白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑,但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻,如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度,是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

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如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。圖/envato elements

光的干涉,相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中,我們將光源對準布幕,並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光,便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋,源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同,因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反,會造成相消干涉而形成暗紋;若抵達布幕時震動方向相同,則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些(見圖四、五)。從實驗設備的上方俯視,藍色的點代表光源,紅色的點則是紙板上的狹縫位置,圖片底端是布幕,白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現,當狹縫間距越遠,布幕上亮紋就越細緻,而從圖五則可以看見,當光源橫向移動時,布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出,越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感,電波作為一種波亦有相同的特性。

圖四(左)、圖五(右):雙狹縫干涉示意圖。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍?

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機,通常會將電波接收器對準海平面,隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器(紅點)跟敵機(藍點)以及海面(黑色區域)的相對位置圖,此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器,其中較短的電波是從敵機直達接收器,而較長的則是經海面反射後抵達接收器,這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

圖六(左)、圖七(右):海岸干涉儀示意圖。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣,對波源的移動非常敏感(圖六),因此可以非常準確的判斷出敵機的位置;而如圖七所示,當電波接收器與海平面之間的高度差愈大,干涉條紋愈細緻,這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上,如果將電波接收器放在濱海的峭壁上,其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器,這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

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隨著二戰結束,許多軍事科技被轉為民用或科研用途,電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說,電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時,因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候,往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度,人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關,卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現,天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈,其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊,這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧!

銀河系和太陽,是天空中兩個最亮的電波源,因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到,較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代,因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位,而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後,澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手,在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀,以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度,由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分(約 1/10 度),也得知這個天體的大小在八角分以下。

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在美國新墨西哥州的無線電干涉儀:甚大天線陣Very Large Array。圖/Hajor, CC BY-SA 3.0

然而弔詭的是,如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體,這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體!更令人驚訝的是,該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星,於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A(4) 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空,陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下,天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系(5)(圖八、九)。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系,然而在電波望遠鏡下,時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出,噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道,噴流是在星系中心大質量黑洞進食(吸積)時所噴出的強烈電漿流,其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波,從而被電波干涉儀接收。

圖八:由甚大天線陣列(VLA)拍攝之天鵝座A電波星系的電波影像。圖/Mhardcastle, VLA data
圖九:由歐洲南方天文台拍攝之人馬座 A 電波星系,結合可見光與電波的影像。圖/ESO

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈,因此對星系演化有著至關重要的影響,今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷,如今的電波干涉儀,已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉,不再是依託於大海的孤立接收器;干涉儀技術的改良,立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往,而非國家間互相對抗的戰火。

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回首過往,人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往,因此當硝煙散去,人們便互相合作,將戰時的科技化作探索太空的利器,揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今,我們擁有更強大的科技,希望人們能夠繼承這份嚮往,一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

  1. 毀滅與新生:超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
  2. 黑洞甜甜圈之後:宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡!——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
  3. 黑洞攝影怎麼拍?七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  4. 仰望宇宙的好據點,大國爭相來插旗:「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
  5. 太陽升起前,把握最後的永夜!與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  6. 人類史上首張黑洞近照:這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的? – PanSci 泛科學

參考資料

  1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
  2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the SunNature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspotsProceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(4087), 312-313.
  5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.
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石蕊試紙的「石蕊」是什麼東西?為什麼碰到酸鹼會變色?
許阿鳥_96
・2022/03/25 ・2105字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國中、國小自然課做實驗常用的石蕊試紙,大家應該都很熟悉,也知道石蕊試紙碰到酸性物質時會變成紅色,碰到鹼性物質時會變成藍色。不過,你知道石蕊試紙變色的原理是什麼嗎?

還記得實驗課常用的石蕊試紙嗎?圖/Wikipedia

「石蕊」是什麼?

編按:作者於 2022 年 3 月 27 日進行勘誤。

石蕊試紙當中會變色的原料,是由地衣提煉出來的。

地衣是真菌和藻類的共生體:真菌形成外殼,提供藻類保護;藻類行光合作用,提供真菌養分。雖然長得有點像苔蘚,不過它們並不是植物。由於地衣對空氣中的化學成分很敏感,常被當作空氣汙染的指標。除此之外,地衣的生命力強韌,它們通常都是一片荒蕪的環境中的先驅,在植物長出來之前,地衣就會先一步到達,把岩石分解成土壤,為之後的生態系打下基礎。在嚴寒的極地,地衣也是馴鹿等野生動物度冬重要的食物來源。

而其中,「石蕊」就是石蕊科(Cladoniaceae)、石蕊屬(Cladonia)的地衣。它們生長在中高海拔向陽的岩石上,屬於枝狀地衣,形狀就像一支支直立起來的粉綠色小喇叭。有些種類的石蕊邊上會長出鮮紅色的繁殖構造子囊果(ascocarp),就像戴著紅色帽子的英國士兵,因此又稱為「英國士兵地衣(British Soldier Lichen)」。雖然石蕊試紙是稱為石蕊試紙,但其實許多類群的地衣都可以作為石蕊試紙的原料,反倒是石蕊本人較不常被作為石蕊試紙使用。

石蕊。攝影/Cleyera Chou

延伸閱讀:十種常見的地衣

那麼,石蕊試紙變色的原理是什麼呢?要解答這個問題,我們必須先了解「顏色」和「酸鹼」的本質。

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「顏色」是什麼?

為什麼我們看到紅色的東西,會覺得它是紅色;而看到藍色的東西,會覺得它是藍色呢?

這是因為,不同的物體會吸收、反射不同波長的光,當光照到物體上,沒有被吸收、而是被物體反射的光波,傳到我們的眼睛裡面,就會被大腦解讀為顏色。

例如,假如一個物體反射紅光,吸收其他波長的光,那個物體我們在白光下看起來就會是紅色的。另外,如果一個物體吸收所有光的波長,那個物體我們在白光下看起來就會是黑色的;反之,如果那個物體反射所有光的波長,那個物體我們在白光下看起來就會是白色的。

一張含有 時鐘 的圖片

自動產生的描述
光的吸收與反射圖解。繪圖/許阿鳥

那麼,為什麼不同物體會吸收、反射不同波長的光?這是因為它們的化學結構長得不一樣。換句話說,一個物體的化學結構若是改變了,吸收、反射的光波長也會跟著改變,外顯的顏色也就會變得不一樣了。

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「酸鹼」是什麼?

知道了「顏色」本質上的差別是什麼,現在,我們要來談談什麼是「酸鹼」?溶液中,如果含有氫離子(H+),那這個溶液就會呈現酸性,溶液中的氫離子越多,pH 值就越小、越偏酸性;而溶液中如果含有氫氧根(OH),那個溶液就會呈現鹼性,氫氧根越多,pH值就越大、也就越偏鹼性。

回到石蕊試紙

現在回到石蕊試紙上面。石蕊中含有一種化學物質「 7-羥基吩噁嗪酮」(7-hydroxyphenoxazone,以下以 C12H7NO3 代稱。),是石蕊試紙變色的關鍵。C12H7NO3 是由三個環狀結構所組成的,帶有一個羥基(下圖中的HO-)。

7-羥基吩噁嗪酮的化學結構式。圖/Wikipedia

還記得前面說到的,酸性溶液含有氫離子,鹼性溶液含有氫氧根嗎?

當 C12H7NO3 碰到酸性溶液時,溶液中的氫離子會鍵結到環狀結構的氮(上圖中的 N)上面,造成結構改變;而當 C12H7NO3 碰到鹼性溶液時,羥基上的氫則會被溶液中的氫氧根(OH)搶走,造成結構改變。這兩種結構的改變如下圖所示。

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正如前面所說的,不同結構的化學物質,會吸收、反射不同波長的光,因此看起來顏色就會不同。得到一個氫離子的 C12H7NO3,會反射紅光,吸收其他的光;失去一個氫離子的 C12H7NO3,則會反射藍光,吸收其他的光。

因此,石蕊試紙會變色的原因就是:酸鹼溶液會改變 C12H7NO3 的結構,當石蕊試紙中的 C12H7NO3 結構改變了,會吸收、反射的光波長也改變了,顏色也因此看起來不一樣了。

現在大家都了解石蕊試紙變色的原理了,下回使用石蕊試紙時,就知道它為什麼會變色囉!

參考資料

  1. Wikipedia. (2022). Litmus. Wikipedia.
  2. Yee, Thomas. (2018). Why do acids turn litmus paper red? Quora
  3. Warzecha, Klaus-Dieter. (2017). Can the colour change in litmus paper be explained by conjugated systems? Acid base.
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許阿鳥_96
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台大生態學與演化生物學研究所畢業。火星上的人類學家。