20210115 桃園文華國小——科學生講座紀實

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？。

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。

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。

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

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。

• 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。