自尊、自主、自信：台灣首位女性核子物理學家──《林清凉回憶錄》

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到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 作者／歐柏昇
  原載國立臺灣大學物理學系《時空》雜誌34期「物理人如『核』面對社會議題？」

• 編者／陳丕燊

正當我們苦惱著核能議題的訪問對象時，忽然靈光一閃，想到近在咫尺之處，系館四樓的會客室旁，就有一位核物理專家。那就是經常深夜還在系館工作的退休教授林清凉。

教授聽到我要訪問關於核能的問題時，即大呼我問對人了。環視教授的辦公室，整齊堆放的書籍、手寫的字帖之間，牆上則張貼著一幅原子衰變圖，保存著二十世紀物理光輝的風範。

身為核物理學家，林清凉教授對於核能的社會議題感觸相當深刻，說得慷慨激昂。當外界眾人議論紛紛的時候，教授很清楚地告訴我們：「物理系學生應該瞭解什麼是核能！」教授不斷強調，我們學物理的，具有一些關於原子核、E = mc² 的基本知識，並懂得理性判斷，講話不要盲目跟著別人。

核物理與核能技術的發展背景

林清凉教授向我們介紹，量子力學在1928年就差不多定案了，開始應用到各個領域。以原子核物理來說，在1935年到1938年完成核分裂的理論。從1938 年到現在，技術已經發展得很成熟，而且可以控制得很好。關於詳細的發展史，可參考林清凉教授著作的《近代物理II》。

所謂的「核分裂」，是原子核 (nucleus) 的分裂。新聞中經常寫錯為核子 (nucleon) 的分裂，但事實上核子是不會分裂的。核分裂最令人擔心的是放射 (emission) ，尤其是屬於強子、不帶電的中子 (neutron) ，碰到東西就會把它的「質」改變。（教授補充說明，放射帶有靜止質量，不同於「輻射」。）

【核能發電】根據林清凉教授的著作，原子能的利用，要符合兩項條件：「能連續地產生能量」、「能依所需而有效地取出能量」。要達到以上條件，必須能有效控制核分裂的連鎖反應。由於入射中子能En 與捕獲中子的截面積 \( \sigma \)有此關係式：

\begin{equation} \sigma =\frac{1}{\sqrt{En}}\end{equation}

且截面積愈大則核分裂概率愈高，所以把快速中子減速為熱中子是重要的課題。一般原子爐的冷卻系統使用水，一面減速中子，一面吸收熱能拿去發電。此外，為維持穩定的連鎖反應，利用棒狀的鎘吸收多餘的中子。因此原子爐有兩大機能：「有控制中子數能力」、「能迅速運走核反應時產生的龐大能量」。核能發電裝置的冷卻系統將熱能運到爐外來旋轉發電機渦輪。

核能的非和平與和平用途

林清凉教授要我們釐清核能的用途。目前使用的核分裂，如果用在非和平用途，拿來打仗，就是製作原子彈。二次大戰之後，愛因斯坦為首的一些物理學家，呼籲將核能轉為和平用途。

針對核能的和平與否，教授批判美國的立場：「你不准別人製造原子彈，怎麼會指使日本人這麼做？」她質疑日本三一一大地震核災的實情：「你大概沒有注意到日本大地震之後，美國軍艦馬上送來重水，我是研究原子核的，看到這個馬上就疑問—這是在製造原子炸彈嗎？」她說，果然有一本書提到這件事。

核能的和平用途則造福了人類的生活，那就是核能發電。因為能量是守恆的，可將核分裂的能量轉為電能。它很便宜，現在也可以控制得很好，所以很多國家都在使用。核能發電最厲害的是法國，法國有75%的電力都來自核能，「那他們國家為什麼老百姓不會吵？也沒有發生核能發電廠引起的害？」

核能發電完善運作的三個要點

林清凉教授認為，一個國家核能發電的完善運作，必須有三件事情配合：

• 第一，按照專業方法來蓋核電廠。核能發電廠的技術相當成熟，而關鍵在於人們是否按照這些規範去做。
• 第二，選擇安全的地點。選的地點是不是好的地帶、地震地帶？就算在地震帶附近，有沒有比較好的地方？沒有斷層經過的地方？
• 第三，給予專業人才充分的待遇。必須給他們足夠高的薪水，讓他們沒有後顧之憂，保障他們生活沒有顧慮，他們才能專心守護我們的核電廠。

——本文摘自《不廢江河萬古流：林清凉回憶錄》，2022 年 4 月，天下文化。

• 作者／林清凉、戴念祖 原載《物理學基礎教程》緒論
• 編者／陳丕燊

什麼是物理學？

「物理學」一詞源於希臘文 φυσική，該詞本意是探討自然界和自然現象。古希臘學者 Aristóteles（亞里斯多德）創造了這一詞並用它做為他的一本著作題名，其意思為《自然哲學》或《自然論》（中譯本多為《形而上學》）。該書的中世紀拉丁文譯本題為 Physica，由此產生了 Physics（物理學）一詞。Aristóteles 本人對物理現象的研究並不足取。但他創造的這一詞卻有深遠影響，以致經典物理學最偉大的奠基人之一 Newton（牛頓）將自己劃時代的著作題為「Philosophiae Naturlis Principia Mathematica」，也即「Mathematical Principles of Natural Philosophy」。

物理學的分野：用不同角度探討世界本源

一般地說，按照所研究物件的運動形態將物理學分為許多門類。研究物體的機械運動與其相互作用為主的，稱為力學。因為它以 Newton 三大運動定律和萬有引力定律為基礎，故又稱為經典力學或 Newton 力學。其中，以流體（液體和氣體的總稱）為主要對象的，稱為流體力學；若僅以材料及其某些物理特性（如彎曲、斷裂和彈性等）為主，就稱為彈性力學；或者僅僅研究機械運動中的振動形態及其在空間中的傳播現象，它既屬於力學範疇，又是聲學的基礎。但在當代科學中，聲學已發展成一門獨立的學科。以研究熱現象為主的稱為熱學。若考慮一般熱系統而不追究微觀成分的運動細節，則稱為熱力學；深入研究熱現象本質、研究大量分子組成的宏觀物體的熱性質和行為的統計規律，就形成了統計力學。後者不涉及某個分子在某時刻的狀態，而是以統計系統的方法研究大量分子的平均行為或概率。

研究電和磁的關係和帶電粒子間的相互作用稱為電磁學。由電、磁或帶電粒子作用所及（所影響）的空間稱為電磁場，而電磁交互作用是通過場的傳遞能量方式傳播，所以又叫電磁波。光是可見的電磁輻射，是電磁波頻譜範圍內一小部分，因此，光學可以看作是電磁學的一部分。將光學分為幾何光學和物理光學只是研究範疇的區分：前者研究光的傳播，如反射、折射等，但它是一切光學儀器的設計基礎；後者研究光的本性，以及光和物質的相互作用。

以上各學科在 1900 年以前已發展到充分完備的形式，而且都適用於宏觀世界和運動速度遠小於光速的物理現象。人們統稱它們為經典物理學。

1900 年：經典物理學的尾聲，近代物理學的伊始

隨著物理學本身的發展，從二十世紀初開始，又誕生了許多新物理學分支學科。例如，原子物理學，研究原子結構及其運動、變化的規律。各種元素的原子輻射都具有特徵光譜，通過原子光譜研究其結構是初期原子物理學的重要手段；原子核物理學是研究核結構及其力學等問題。核分裂和聚變是物理學家曾經最感興趣的課題。粒子物理學是研究基本粒子包括壽命極短（10−25 秒級）的共振態的種類、分合變化及其性質等。經典力學和經典電磁學無法解決這些新分支學科的問題，只有通過量子力學和相對論力學才能較正確理解它們的本質。

量子力學是研究微觀世界的基礎理論。微觀世界的基本特性是波粒二象性，描述這種物理狀態一般使用複函數，其動力學量由算符表示，在這裡所能得到的是統計規律。量子力學的最大特點是物理量值的不連續性和內稟（intrinsic）不確定性。這與經典力學取連續變化的實數值和因果聯繫的物理量是根本不同的。相對論力學是研究接近光速運動的高速物體的現象。它包括狹義相對論（special theory of relativity）和廣義相對論（general theory of relativity）。

狹義相對論提出了一種新的時空觀。在相對性原理（the principle of relativity）和光速不變原理兩個基本假設下，得到時空是密切相關的結論。也就是說，它獲得了經典力學無法理解的諸如空間收縮、時間膨脹，同時性的相對性、質能關係，以及光速是一切粒子的速度上限等結論。廣義相對論把描述運動的參照系從慣性系推廣到加速系統中，以等效原理為基礎，將引力現象幾何化並把它納入時−空結構中。簡言之，將引力現象看作是時−空彎曲的表現，從而導出了一些重要結論。

量子力學和相對論是近代物理學的兩大理論基礎。近代物理學以研究微觀、介觀世界，運動速度接近光速的物理現象為主要內容。除上述之外，近代物理學還包括量子場論、固態物理、磁性、半導體、超導、高分子物理、凝聚態物理（condensed matter physics）、等離子體物理（plasma，又稱為「電漿物理」）、生物物理等等。

經典物理與近代物理之間並不存在一條不可逾越的鴻溝。相對論力學所以比 Newton 力學深入，是因為它不僅能解釋 Newton 力學所能解釋的現象，而且能解釋 Newton 力學所不能解釋的許多新發現和新現象；它作出了在 Newton 力學看來是根本不可能的一些科學預言，並且得到天文觀察或實驗的證實。另一方面，僅在低速運動的物理世界中，經典力學仍然是極好的描述物理現象的科學；當物體的速度遠小於光速時，狹義相對論力學定律趨近於經典力學定律。在引力較強大、空−時彎曲結構較大的情況下，經典力學失去效用，而廣義相對論發揮威力；相反，在引力不強、空−時彎曲極小的情況下，廣義相對論的預言就與 Newton 運動定律和萬有引力定律的預言趨於一致。

——本文摘自《不廢江河萬古流：林清凉回憶錄》，2022 年 4 月，天下文化。