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福島五縣食品即將開放進口!——安全嗎?如何以科學方法評估風險?

Evelyn 食品技師_96
・2022/02/15 ・4361字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 文/Evelyn 食品技師

2011 年 3 月 11 日,日本發生福島核災事件,釋出放射性物質汙染土壤、水源及食品。之後我國立即對福島、茨城、櫪木、群馬、千葉等 5 縣生產製造之食品啟動暫停輸臺管制措施。

而在 2022 年 2 月 8 日,也就是事故即將滿 11 年前夕,行政院宣布「日本福島五縣地區食品進口」正式解禁[1],該消息一出,便掀起全臺一陣軒然大波。

有關福島五縣食品的爭議不斷,相信民眾想知道的是,現在開放日本福島五縣地區食品進口到底安不安全?政府如何把關民眾的安全?

核災發生十年後,採取「地區式」管制措施已不合時宜

福島核災事件發生第一時間,各國皆因緊急應變考量,採取「地區式」管制,也就是禁止包括福島在內附近縣市的食品進口,為最安全保守的做法。

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然而,以「地區」作為管制,很容易對該地區造成污名化,因為並非所有來自於日本某特定地區的食品都會有輻射污染,也不易使民眾聚焦到底進口的食品是否有受輻射污染之風險。

輻射殘留超過標準的區域分佈,並非所有來自於日本福島五縣地區的食品都會有輻射污染。資料來源/參考資料 4

加上 11 年的時間過去,風險的影響已有所改變。依世界貿易組織(WTO)規範,會員國採取食品安全檢驗措施,應有科學根據,且不應構成對國際貿易的隱藏性限制,美國、歐盟等國家,早已皆調整其管制密度。

我國這樣故步自封的管制方式,容易引起與日本之間的糾紛,亦難以符合國際自由貿易的發展原則,連帶影響其他經濟貿易的發展。

對於半衰期較長的放射物質,是否有輻射殘留的疑慮?

有醫師提出其對於福島五縣食品的質疑[2],舉出輻射物質銫-134、銫-137 和鍶-90 的半衰期分別是 2 年、30 年和 29 年,後兩者可能仍有輻射殘留的安全疑慮。

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根據 106 年度「受核事故影響食品之人體健康風險評估」的報告指出,日本厚生勞動省於 2012 年修訂食品管制標準時提及,就福島電廠影響及調查分析結果,將半衰期超過 1 年之放射性核種,如銫-134、銫-137、鍶-90、釕-106、鈽及鋂等,列入風險考慮。

銫以外的核種只約占總劑量之 12%,鍶-90 半衰期雖然為 29 年,但因其含量較低且需要耗時 2 星期(甚至更久)的時間來偵測,故厚生勞動省評估以上之比例修正因數,選擇以「銫」作為輻射檢測食品標準之主要代表性核種

歐盟法規也特別指出,依日本電廠事故狀況,鍶、鈽及鋂釋出到環境的量非常有限,所以對於日本食品不需對鍶、鈽及鋂等核種實施檢測或特別管制,僅規定檢測銫-134、銫-137 即可。

對於醫師質疑有安全疑慮的銫-137,我國一直有列在監測指標中;鍶-90 在日本、歐盟的評估下,釋出到環境的量有限、可忽略,故兩者輻射殘留是不需擔憂的。

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「零檢出」不等於「零含量」,應以科學方法做決策

衛福部公布草案的第一時間,還是可以聽到許多人要求輻射要「零檢出」,這是不合理的,因為零檢出易遭解讀為「含量為零」,有諸多爭議。

隨著檢測儀器及分析技術的進步快速,現在先進的儀器感度可達到十億分之ㄧ(1 ppb)的層級,過去食品檢驗不出來的物質現在可能驗得出來,但它並不是零濃度,而是趨近於零、非常低的濃度。 

現今面對食品安全問題時,應以客觀、理性的角度,運用一套以科學為基礎的「風險分析」,來做食安風險的決策。

所謂風險分析,係為評估食品對於人體健康與安全所可能造成的風險,確認並執行控制該風險的適當措施,且就該風險與該措施與利害關係人進行溝通。

風險分析是由風險評估、風險管理與風險溝通三個要素所構成,細節可詳見此文: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?,這邊就不多加說明。

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如何透過「風險評估」瞭解致癌風險有多少?

風險分析首先要做的便是「風險評估」,有四項重要步驟,分別為:危害辨識、劑量反應評估、暴露評估及風險特徵描述。

以下就 109 年度「輸入食品風險分析」報告中,以成年人的風險評估為例,解釋其致癌風險是如何判定的:

一、危害辨識(Hazard Identification)

按國際標準,以銫-134、銫-137 作為危害辨識標的。

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二、劑量反應評估(Dose Response Assessment)

針對存在食物的生物性、化學性、物理性因子其可能造成的不良健康效應進行定性或定量的評估。

依國際放射防護委員會第 119 號報告,一般民眾攝入每單位放射性核種的約定有效劑量(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。

三、暴露評估(Exposure Assessment)

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進行食品輻射劑量估算,以每人每年暴露多少西弗分析,透過不同年齡族群、不同類食品的平均攝食率資料庫,套入公式換算。該報告得出成人每年平均輻射曝露劑量為 0.002814 毫西弗。

四、風險特徵描述(Risk Characterization)

將前面三者的資訊進行整合後,向風險管理者提供科學建議。

依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% 的癌症及遺傳效應之風險,也就是癌症斜率因子(cancer slope factor; CSF)[註 1]

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接著計算致癌風險有多少,依據美國國家環境保護局(U.S. Environmental Protection Agency; US EPA)所公佈之風險評估流程,化學物質對人體之致癌風險可以下式計算[5]

致癌風險 = 化學物質之暴露量 × 癌症斜率因子

= 成人每年平均輻射曝露劑量 0.002814 毫西弗 × 10-3(單位轉換成西弗)× 4.2%,

得出成人每年平均輻射曝露所產生的癌症及遺傳效應增加風險為 1.18 × 10-7。 

按 US EPA 之標準,風險發生率低於 10-6 者,歸類為「可忽略之風險」。就該報告的結果來看,除了成人之外,所有年齡層的癌症風險均判定為可忽略之風險。 

各年齡層的癌症風險,均判定為可忽略之風險。資料來源/參考資料 4

我國的「風險管理」措施是結合美國與歐盟的做法

風險評估完成後,接著進行「風險管理」,也就是要確認控制該風險的適當措施。從日本公布之官方資料中可以發現,輻射超標產品不限於分布在我國管制地區,已不適用「地區管制」的方式。

日本當地針對食品放射性物質的管理除了持續監控及公開相關資訊外,也有訂定食品的檢查計畫。若監測發現食品有超過輻射標準值時,會將其回收、銷毀,同一生產批次的食品亦一併處理,並以縣或部分區域為單位進行出貨管制等措施,此法結合特定產品與地區式的管制。

美國雖仍管制日本 14 縣市的食品輸入,但管制輸入的「特定品項」會依輻射檢驗數據滾動式調整,而非只管制「特定地區內的全數食品都不能進口」。

歐盟則是未禁止日本食品的輸入,僅要求「特定地區的特定食品」須檢附官方輻射檢驗證明。

而臺灣這次解禁有三大配套措施把關[6]

一、福島 5 縣食品現行規範從「禁止特定地區進口」改為「禁止特定品項進口」。

二、針對高風險品項需提供「雙證」,提供輻射檢驗證明、產地證明。

三、所有產品在邊境需逐批檢驗合格才能放行。

其實就是結合了美國與歐盟的管制特色,還是相當嚴謹,標準並沒有比別人寬鬆。

政府輕忽「風險溝通」,導致資訊不對稱

雖然風險的決策過程是科學、客觀、理性的,卻與民眾的認知有所差距。

不管是美牛還是核災食品,為何科學無法克服民眾的食安疑慮?一文,說明了政府在食安問題上,用「低風險」來遊說社會大眾,之所以沒有效果,是因為一般民眾對於機率的認知,通常帶有主觀的成分。

且最令民眾困惑的是,為何在有食安疑慮的情況下,政府仍亟於開放進口這些食品?若政府願意公開把不開放進口的負面後果明確讓民眾知道,或許民眾就會比較願意承擔風險,轉而支持開放進口。

這凸顯出「風險溝通」在風險評估與風險管理中所扮演之重要性。

風險分析架構,須透過風險溝通交換並整合風險評估與風險管理的資訊和意見。圖 / 參考資料 4

一般法規命令草案公告期間,應至少公告 60 天[8],以蒐集各界意見或評論,但這次的草案僅進行 10 天的預告期。如此匆促的決策時間,真能夠將「風險溝通」這一部分做得完善嗎?

再者,情況特殊,有定較短期間者,應於草案內容公告時,一併公告其理由,先予敘明。這部分似乎沒有看見衛福部有說明清楚[1]

其實,端看我國食品最高法規《食品安全衛生管理法》第 4 條,雖然揭示了風險相關的基本原則,但並沒有風險溝通中的雙向資訊交換與公眾參與,導致我國食安主管機關組織架構中,並未有風險溝通的專門小組或人員,風險溝通具體的實施程序也付之闕如[8]

當然,媒體、整體公民亦必須同時善盡其在風險分析體系中的積極義務:媒體應多擷取學術研究單位所提供之健康風險資訊;社會公民亦應提升自身閱聽素質,對於未來食品議題的溝通才較有根本性的助益。

科學證明日本食品是安全的!惟須確實執行進口管制措施

回歸到日本食品進口到底安不安全的問題,科學性的風險評估結果已證實其風險之低微可忽略,且臺灣訂定的規範相較於國際是嚴謹的,可惜的是食安風險溝通的品質還有待加強。

最後要注意的是我國的管制政策,是極仰賴邊境嚴格的查驗、充沛的檢驗量能,以及進口業主是否清楚相關規範,故需要各方共同努力並執行確實,才能為社會大眾做好安全把關。

註解

  1. 癌症斜率因子(cancer slope factor; CSF):又稱斜率係數(slope factor; SF),或是單位風險係數(unit risk factor; URF),即是在說明每增加一個單位之劑量所增加致癌的風險。

參考資料

  1. 衛生福利部食品藥物管理署,2022。衛生福利部預告調整日本食品輸入管制措施
  2. 趙于婷,2022。台灣解禁日本福島核食!毒物專家點出「關鍵隱憂」。ETtoday新聞雲。
  3. 謝婉華、陳國瑋、吳涵涵,2017。106 年度「受核事故影響食品之人體健康風險評估」計畫之日本進口食品風險評估。衛生福利部食品藥物管理署委託。
  4. 姜志剛,2020。109 年度「輸入食品風險分析」計畫。衛生福利部食品藥物管理署委託。
  5. 陳慧諴。如何搜尋及解讀毒性物質資料?。國家環境毒物研究中心。
  6. 行政院,2022。政院:調整日本食品輸入管制措施 以「三原則、三配套」為國人健康嚴格把關
  7. 中華民國法務部,2022。行政程序法第 151、154 條行政函釋
  8. 潘誼鎂,2019。我國食品安全風險溝通法制之建構。國立交通大學科技法律研究所碩士學位論文。新竹。
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Evelyn 食品技師_96
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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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