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福島 5 縣食品輸入,如何知道風險可接受?分析報告說了什麼?

PanSci_96
・2022/02/09 ・6400字 ・閱讀時間約 13 分鐘

  • 資料整理 / 泛科學編輯部

行政院於今日(2022/2/8)舉行「日本食品輸入管制措施」記者會,在 3 原則(回歸科學檢驗、比國際標準更嚴格、為民眾把關)、3 配套(將「禁止特定地區進口」改為「禁止特定產品進口」、針對具風險品項要求輻射安全證明加產地證明、福島 5 縣食品在邊境 100% 檢驗)的措施之下,開放福島 5 縣食品進口(五縣分別為福島、茨城、櫪木、群馬、千葉等)。

圖/行政院

於前一日的晚間,衛福部食藥署公布了委託台大毒理學研究所姜至剛教授執行的「輸入食品風險分析」報告,這份含封面共 94 頁的報告說了什麼呢?讓我們從重點整理中,來看看食品風險評估是如何進行的。

以下資料多引用自109年度「輸入食品風險分析」報告,為使閱讀更為流暢,有些段落有經過編修以及微調字句。

食品安全要以「風險分析」作為溝通工具

任何的科學研究都無法直接告訴你食物有沒有毒,因為食物是很複雜的「不太可能有百分之百純淨的、零檢出的選擇,絕對無毒的產品並不存在。」* 那要怎麼知道食品安不安全呢?可以透過「風險分析」來做為決策參考。

風險分析是由「風險評估」、「風險管理」及「風險溝通」所構成:風險評估以科學數據為基礎,進行風險辨識及評量。風險管理,則是以風險評估結果為依據,制訂一個能將風險盡可能降至最低的管理政策。風險溝通,則是將風險評估結果或風險管理政策裡的重要內容,對利害關係人、一般民眾進行傳播與交流。

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2011 年 3 月 25 日起,臺灣暫停受理報驗福島 5 縣所生產製造之食品,並加強日本輸台食品的輻射檢驗,同時也委託同一團隊,於 2018 年的時候進行「日本食品取樣檢驗與調查研究」。當時團隊實地採樣了 301 項樣本(包含:乾香菇、沙丁魚、果乾、米、牛奶、小麥粉/麵粉、茶葉、貝類、蔬菜、冰淇淋等),並交給三個不同單位的實驗室進行「銫134」與「銫137」的含量檢測。

檢驗結果顯示,樣品均符合衛福部的公告標準(銫134 + 銫137 標準:飲料及包裝水 =10Bq / Kg;乳品及嬰兒食品 = 50Bq / Kg;其他食品為 100 Bq / Kg)。

儘管風險評估結果顯示輻射風險低於標準值, 但 2018 年 11 月 24 日公投「禁止開放福島五縣食品」通過後,顯示大眾對日本相關食品的安全性仍存有疑慮。民眾對食品安全之風險感知,會影響其對政府風險管理、資訊揭露及邊境抽驗的信任程度。

2018年福島食品進口公投結果。

風險評估怎麼做?

以科學為基礎的「風險評估」,其四步驟包含:

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  1. 危害辨識 (Hazard Identification)
  2. 劑量反應評估 (Dose Response Assessment)
  3. 暴露評估 (Exposure Assessment)
  4. 風險特徵描述 (Risk Characterization)

這四步驟又代表著什麼意思呢?

危害辨識:造成危害的是誰?

當可能會有危險時,要先知道這個「危險」是誰造成的,因此要進行危害辨識。在福島 5 縣食品風險評估的案例中,便是要找到是哪些物質造成食品安全的風險。

依據國際原子能總署 (International Atomic Energy Agency, IAEA) 2015 年發表的 The Fukushima Daiichi Accident 報告,此次災害主要是爐心熔融,主要洩漏為高度揮發性元素,因此,日本厚生勞動省自事故發生後隨即進行食品中 碘131、銫134、銫137 的含量檢測,而 碘131 半衰期僅為 8 天,因此自 2012 年 6 月起便不再進行碘 131 檢測。因此國際間食品輻射標準,大多以 銫134、銫137 含量,作為危害辨識標的。

劑量反應評估:多少量會有影響?

圖/envato elements

知道是誰會造成影響,接下來就是要知道「多少劑量」會對人體造成影響呢?依據國際放射防護委員會第 119 號報告所列,一般民眾攝入每單位放射性核種的約定等價劑量(Committed Effective Dose),銫 134 的劑量為 1.9×10-8 西弗 / 貝克,銫 137 的劑量為 1.3×10-8 西弗 / 貝克。

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另依據國際放射防護委員會第 103 號報告,每 1 西弗輻射曝露,會增加成年人 4.2%、全年齡 5.7% 的癌症及遺傳效應之風險。

暴露評估:可能攝取多少量?

知道了劑量,往下要知道的量採用「是可能的曝露量有多少。這次的研究參考國家攝食資料庫 2019 年國人 17 大類食品,不同族群不同類食物的攝食率如下表,並假設大家吃東西時不會特別挑選進口國家產地,食品放射性元素含檢測平均值」進行暴露評估。

風險特徵描述:所以有風險嗎?風險是多少?

國際放射防護委員會 (International commission on radiological protection, ICRP) 於 2007 年出版的 ICRP publication 103 報告中提出,一般民眾額外暴露游離輻射的劑量,延續 ICRP publication26 之建議,亦即年劑量不超過 1 毫西弗 (1mSv/yr)。

當上述食品輻射中 銫134、銫137 含量經與國人平均攝食率計算後,可以推導出可能暴露的游離輻射量,進一步演算出癌症及遺傳效應之風險。

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平均輻射曝露劑量結果顯示,因攝食日本食品而增加的輻射曝露量:孩童每人每年平均 0.001762 毫西弗,青少年每年平均 0.002308 毫西弗,成人每年平均 0.002814 毫西弗,老年人每年平均 0.002406 毫西弗,育齡女性每年平均 0.002334 毫西弗。

如果採用極端值處理後的食品輻射含量計算:攝食日本食品導致國人增加輻射曝露量,孩童每人每年最高 0.003088 毫西弗,青少年每年最高 0.004030 毫西弗,成人每年最高 0.005094 毫西弗,老年人每年最高 0.004597 毫西弗,育齡女性每年最高 0.004182 毫西弗。

圖/行政院記者會簡報

在這樣的計算下,癌症及遺傳效應增加的風險為:孩童每人每年平均 1.00 x 10-7,青少年每年平均 1.32 x 10-7,成人每年平均 1.18 x 10-7,老年人每年平均 1.01 x 10-7,育齡女性每年平均9.80 x 10 -8,癌症及遺傳效應風險部分各年齡層皆低於 10-6;依據美國國家環境保護局 (U.S. Environmental Protection Agency, US EPA) 之標準,癌症及遺傳效應風險等級可以歸類為「可忽略之風險」。

其他國家的監測與管制作為

每個國家對日本災區食品的輸入管制措施,可以區分為數種類型,包括:第一、特定縣市「全部」食品禁止輸入。第二、特定縣市「特定」 食品禁止輸入。第三、特定縣市特定食品檢附官方輻射檢驗證明後始得輸入。

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進一步而言,雖然各國各有不同管制措施,然可歸納管制核心在於,特定縣市中「全部或部分」品項的食品得否輸入;其次,得以輸入之縣市或食品,是否存在「輸入前提」—— 例如是否須檢附何種證明、或進行何種形式之查驗。

以上數種管制措施, 各有其優缺點,茲簡要分析如下:

(一)特定縣市「全部」食品禁止輸入:以台灣為例

此種措施之優點在於首先,管制上可以做到滴水不漏——針對該遭禁止輸入 之縣市食品,因為不論該縣市之食品有無風險或有多高風險,一律禁止輸入、杜絕於境外。其次,此種管制措施得節省行政成本,因為無須耗費人力或其他資源來對輸入食品進行任何檢驗、或者查核檢附證明文件。

然而其缺點在於:此種管制措施,與歐、美等國家並不一致,亦與現今自由貿易之世界潮流,存在若干落差;尤其我國已成為世界貿易組織(WTO)會員多年, 會員國之間自有國際貿易規則必須遵守,無法完全憑藉自身意願制定管制政策或進行管理措施,否則容易引起我國與日本二國間之糾紛。

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尤其,經本計畫之風險評估,福島五縣市食品之檢測結果皆符合我國標準,是否需要投注這麼大的行政資源與社會成本,專注在福島五縣市,而忽略日本其他地區輸入食品之安全,值得各界慎思。

(二)特定縣市「特定」食品管制輸入:以美國為例

美國與歐盟之管制措施雖然不同而有「管制輸入」之措施,然其與歐盟之表述方法相同,係詳列管制輸入之縣市及其食品品項,其餘未在表列者,則不管制輸入。

美國管制輸入部分食品之縣市,包括青森、岩手、宮城、山形、 福島、茨城、櫪木、群馬、埼玉、千葉、新瀉、山梨、長野及靜岡等 14 縣市。每一縣市管制輸入之品項,繁簡不一、各有不同。管制的品項會適時依據日本「非流通品」公告進行調整。

此種管制措施,立基於「使用日本國內檢測之結果,作為自己國內管制基準。」日本依其檢測結果,將特定縣市之「特定」食品設定為「非流通品」;美、日二國之間則基於信任關係,參照此一「非流通品」之品項,納為管制輸入之列。

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此一模式,優點在於以科學基礎之客觀事實為依據,日本檢測超標者代表該項食品風險較高,則進行管制輸入;其次,因其參照日本國內「非流通品」之品項,簡單明確節省行政成本之耗費,並且可以減少二國間之貿易爭端。

其缺點在於,非流通品可能混在流通品中輸入,如美國管制輸入岩手之鹿肉, 可能混雜於其他未管制輸入縣市之鹿肉,一起輸入;此種混入狀況,於辨識上極為困難,從而增加檢驗之難度。其次,參考日本之檢測數據,也不免有「球員兼裁判」的疑慮。

美國直接使用日本的檢測標準進口核災地區食品。示意圖/envato elements

不過,本計畫認為,日本政府實施輻射檢測、設定非流通品,乃是為了保障其國民之食品安全與身心健康,並非為了產品輸出而為之;日本政府亦不可能為了產品順利輸出,罔顧自己國民健康而對數據造假。因此,上述「球員兼裁判」而可能造假之質疑,現實中應無發生之虞。

(三)檢附官方輻射檢驗證明:以歐盟為例

歐盟各國對日本食品輸入,並無針對特定縣市或品項禁止輸入之規定,而是詳列分縣市之特定食品,要求輸入時須檢附官方輻射檢驗證明。而需要附上證明的,包括福島、山形、山梨、靜岡、茨城、長野、新瀉、群馬及宮城等 9 縣市,其中福島所列的食品品項最多。

此種管制措施,要求食品輸入時,必須檢附輻射檢驗符合標準之官方證明。此種管制措施,側重於輻射殘留之檢測數值,不論產地、品項為何,只論輻射檢測結果,將管制對象聚焦於輻射「風險所在」,應為值得肯定之作法。

其缺點則為, 輻射檢驗數據可能受到若干外力影響,包括檢測儀器靈敏度、檢測方式等,從而對數據產生不同解讀;尤其,即使檢測數據符合標準,但仍有驗出輻射殘留者, 如遇有要求「零檢出」之言論,是否真能獲得民眾信任而輸入,有待商榷。因此,此一措施固然基於科學而較為可取,但仍存在部分不確定因素。

以科學方式檢測是最直接的做法,但很難面對「零檢出」的要求。圖/envato elements

此外,為求上述 3 種管制措施確實達成管制目的,尚有「檢附官方產地證明」、「邊境檢驗」等二種輔助措施,茲分述如下。

「檢附官方產地證明」措施之優點,在於方便主管機關判別食品產地來源, 以免有誤認產地情形發生,一定程度上可提高消費者「安心」程度。

而其缺點則在於,實務上曾經發生偽造產地證明之案例,如何杜絕此一情形發生,恐存在一定難度,且亦增加行政成本支出。其次,此種措施僅為產地(產品來源)之客觀呈現,是否存在風險,並非基於何種科學證據或論述,與提高消費者健康「安全」並不必然存在正相關。

「邊境查驗」則是於食品輸入時進行查驗,確認食品符合標準始得放行,往下又可區分為「逐批查驗」或「抽批查驗」。

此種管制措施之優點在於直接、有效,透過機械儀器之幫助,對輸入之食品進行輻射檢測,篩選出高風險食品。而其缺點則為, 輸入食品數量、種類繁多,檢驗人力有限,即便逐批查驗,也不可能「逐項查驗」; 其次,檢測儀器也有靈敏度之不同,如欲進行高強度之查驗,勢必耗費大量行政成本。且部分生鮮食品保存期較短,等待檢測期間過長,或者保存方式不佳,皆有產生食品腐敗之可能性,進而面臨國家賠償爭議。

行政院最新公布的進口標準中,也包含「產地證明」與「邊境檢驗」。圖/行政院記者會簡報

韓國

為評估日本福島核災事件對於韓國民眾所增加的風險,韓國參考利用韓國食品藥品安全部  (MFDS) 於 2012 – 2013 年所監測放射性 碘131、銫134、銫137 的資料,食物種類包括農產品、畜產品、乳製品、水產品與加工食品共 8496 筆。劑量部分假定輻射檢測最小可測量(minimum detectable amount, MDA) 為 0.5 Bq / kg,利用放射性濃度的平均值進行計算。

攝食量則使用韓國 2008-2010 年國家健康與營養調查 (KNHANES) 的攝食資料庫,為了以保守方式估計,僅使用食品消耗量 第 95 個百分位水平進行計算。

風險評估結果顯示,攝食日本食品導致增加之輻射曝露量,各年齡層每年平均劑量皆小於 1 毫西弗,終生承諾的有效劑量為 2.957- 3.710 毫西弗。癌症發生率部分,終生攝食輻射食品所產生之實體癌、甲狀腺癌及白血病之癌症風險,分別為每十萬人可能產生實體癌 14.4 至 18.1 例、甲狀腺癌 0.4 至 0.5 例、以及白血病 1.8 至 2.3 例。

研究結果表明,在韓國,現階段日本食物攝入不會增加輻射劑量或增加致命癌症的風險。

而韓國的管制措施型態較為複雜,既有禁止輸入特定縣市部分食品之手段,也有要求檢附官方證明文件之手段。以禁止輸入而言,韓國禁止輸入之縣市包括福島、群馬、櫪木、茨城、宮城、千葉、神奈川、岩手、長野、埼玉、青森、山梨、靜岡及新瀉等 14 縣市,相較於美國管制輸入之 14 縣市, 韓國多了神奈川而少了山形。

韓國對日本進口食品的輻射檢測說明。圖/韓國食品醫藥品安全處

香港

自日本福島核災事件發生到 2020 年 12 月 31 日止,香港邊境檢測共抽樣檢測了 752,986 件樣本,不合格件數 3 件。另外,自 2018 年 7 月 24 日准許茨城、櫪木、千葉及群馬四個縣輸入以來, 該些地區共檢測 190 件樣本,檢測結果皆低於檢測極限。

由於檢測結果較無風險危害,所以食物安全中心宣布於 2021 年 1 月 1 日起,將輻射檢測日本食品納入每年的恆常食物監測計劃內,不再特別公告。

香港邊境管理單位為「食物環境衛生署」及「食物安全中心」,其管制措施主要包括:福島之水果、蔬菜、奶、奶類飲品及奶粉,禁止輸入(目前僅剩餘福島地區產品禁止進口),其餘四縣市之水果、蔬菜、奶、奶類飲品及奶粉,則須檢附官方輻射檢驗證明及輸出業者證明,而福島五縣市之肉類及家禽、禽蛋、水產品、野味,亦須檢附官方輻射檢驗證明。

建議與結語

最後,報告建議:1.可以參考其他國家之做法,實施高風險管制措施,建議兼採美國與歐盟之管制特色,將管理措施由現行特定地區全部食品皆禁止輸入,調整為特定地區高風險食品禁止輸入。2.提高資訊揭露能見度,讓資訊能夠更有效地傳遞。

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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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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量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

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萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

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理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

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黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

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一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

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就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

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根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

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事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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