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黑夜裡點一盞虹光

邱文凱
・2014/04/29 ・2590字 ・閱讀時間約 5 分鐘

緣起

最近看到一句話:黑夜裡才看得到星星,在雨後才會出現彩虹。因為匆匆瀏覽過,誤看成黑夜裡才能看見彩虹 XD

當時很納悶,就是哪來的說法阿?黑夜不正意味著沒有陽光,那是要如何看見太陽光經由水珠折射而形成的彩虹呢?

剛好這時瞥見電腦桌一隅的光碟片。我想,我找到答案了!!!

PS:於本文發佈之後,才發現有一種在月光下出現的彩虹,稱之黑夜彩虹、月虹

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先來聊聊彩虹是什麼吧

我們看到的太陽光(白光)包含許多不同顏色的色光,我們看到的七彩彩虹(紅橙黃綠藍靛紫)便是由構成白光的各色光(紅綠藍,三原色光)組合而成,而為何通常都是在雨過天青時才會看見彩虹呢?

因為下雨過後,空氣中充滿了水氣,而當太陽光照射到這些小水珠時(類似球形透鏡),不同顏色的色光會因其折射角不同而分開(因為頻率不同,折射的角度也不同),於是形成色散現象。

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圖片來源:維基百科

如下圖,當太陽所在天空中行進遇到細小的水滴時

Rainbow_formation
圖片來源:維基百科

或者使用三稜鏡分光時能看見彩虹
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而為何彩虹看起來是圓弧形的呢?

我們可以看到彩虹,是因為折射後的光線進入我們的眼睛,而當我們背對太陽以眼睛為頂點時,將所有與平行入射光線成大約42°角的折射光線連接起來(特定角度的水珠折射出來的色光才能進到我們的眼睛),就會形成一個圓錐體,圓錐的底面就是彩虹。(如下圖,我們在地面上無法看到整個彩虹圓弧,部分被地景擋住)

彩虹圓弧
圖片來源:Department of Physics and Astronomy, Arizona StateUniversity

也可以來看看動畫怎麼演。想了解如何用數學計算彩虹的角度,請參考果殼網的〈彩虹為什麼是彎的?〉。想做圓形彩虹(七彩牛頓環)可以參考〈科學遊戲-光學-七彩牛頓環〉

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圖片來源:新莊中港大排河廊

此外每個人看到的彩虹都是由不同水滴折射出來的(因為每個人站的位置不同),甚至連所見到同一道彩虹上的藍光與紅光也是來自不同水滴折射出來的。

因此雨後天晴,我們都能擁有專屬於自己的七彩拱橋~~~

綜合上面敘述,如果我們要做出彩虹的效果必須具備兩個要素:

一、七彩的色光

二、圓弧形

光碟反光可以映出七彩色光,可是映出來的是圓形彩虹(似此圖),而非地面上見到的拱橋形……後來發現過年時用剩的廚房壁紙也可以跟光碟一樣映出七彩色光,而且可以彎折,這樣就可以映出拱橋形的彩虹(而且很便宜XD)。

所需材料

Camera 360

1.廚房壁紙(雷射自黏壁紙,外包裝上標示材質:雷射膜、膠)

2.用完的膠帶捲(這次採用的膠帶捲外徑約為3.4cm)

3.LED燈(我這次使用的是夾書燈,這樣可以省下做支撐架的時間)

4.膠帶、雙面膠(固定壁紙用)

做法

1.將壁紙剪一小段下來黏於膠帶捲上(如下圖)。
Camera 360

2.藉由調整膠帶捲的角度,使LED燈照射至壁紙反射的彩虹於牆壁成像(如圖)。

Camera 360

3.剪一小段雷射壁紙調好角度黏在夾書燈上面(用前面膠帶捲嘗試出的最佳角度、高度),然後按銀色開啟鈕時,就可以映出彩虹囉。
2

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大致的規格如下圖所示(LED燈)

圖一-horz (2)

這次的製作中推薦使用LED燈的原因在於其指向性佳(光束角小),而指向性差的小型鎢絲燈泡四散的光會造成彩虹被掩蓋掉(如下圖)
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不過稍微改造一下之後,小型鎢絲燈泡也能映出不一樣韻味的彩虹喔(暖色系彩虹,一整個溫暖的感受)

其實就是用黑色電工膠帶遮掉大部分四散的光 XD

而這次會採用雷射自黏壁紙的原因,是因為它會產生薄膜干涉的現象

如下圖所示,在光入射薄膜時(薄膜仍具有一定厚度),有一部份的入射光會被上表面反射,另一部份透射至下表面(於交界面有發生折射),在下表面也會發生透射與反射(不特別討論這部分的透射),反射光再被上表面折射到原先介質中,而折射光和反射光相互干涉而形成新的光波。

而正如前面有提到的,各色光的折射率不同,所以當一道白光入射至薄膜時,各色光因折射角度不同而分開,所以眼睛會看到如彩虹般的顏色(像光碟表面、馬路上的油汙、肥皂泡)

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圖片來源:維基百科
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圖片來源:DieselrainbowThinfilmbubble

而科學家反過來藉由分析薄膜的反射光譜(薄膜量測),來測量薄膜的厚度、表面粗糙度、消光係數、折射率,優點在於非接觸性量測,不會傷害到薄膜表面。

參考資料:

  1. Rainbow – Wikipedia
  2. Thin film – Wikipedia
  3. Thin-film interference – Wikipedia
  4. 彩虹為什麼是彎的-果殼網
  5. Patterns in nature Light and Optics Readings
  6. Moonbow– Wikipedia

___________
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邱文凱
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相信著 "以人化物" 器物再美,缺乏人的溫度,終將不完美 而若多一分人性的溫暖,便能包容原先器物的小缺陷 這是設計科學小物的初衷 希望這些東西能充滿著溫暖,無論是手心的亦或是內心的

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泡藥的蝦仁蚵仔肥美飽滿?磷酸鹽為什麼這麼神奇?

安比西林_96
・2021/04/02 ・2876字 ・閱讀時間約 5 分鐘

每隔一段時間,就會在新聞上傳出有「黑心海鮮」如蝦仁、蚵仔添加了磷酸鹽「增肥」的新聞。為什麼磷酸鹽會有這樣的效果?

讓蝦仁等水產變得水噹噹的磷酸鹽到底有什麽問題?圖/轉自華視新聞

事實上,磷酸鹽除了屬於合法的「食品添加物」,可以在規定範圍內添加於肉製品及魚肉煉製品(像是貢丸、魚丸),它也是生物體中原本就常見並且不可或缺的化學物質,具有重要的生理功能。

磷酸鹽類在自然中很常見,存在於溪流、河川、海洋中。我們日常使用的肥料、洗碗精中,也多含有磷酸鹽。由於磷也是藻類重要的營養來源,因此要特別注意人類污水的排放,以免過量的磷酸鹽導致水體優養化(Eutrophication)。

當水中的磷酸鹽含量過高時,水體會發生優養化,藻類大量繁殖造成水質惡化。圖/wikimedia

讓酸鹼平衡、保護細胞的功臣——緩衝劑

細胞的生理反應,都需要在穩定酸鹼值環境下才能順利進行,而磷酸鹽在生物體中的最重要的功能,就與磷酸能夠平衡穩定「酸鹼」的性質,有很大的關聯。

歷史上,科學家為了搞清楚酸和鹼到底是什麽,做了不少努力。1884 年,阿瑞尼士(Arrhenius)提出在水溶液中解離出氫離子(H+)的是酸,解離出氫氧根離子(OH的則是鹼,這也是最為人所知的定義。

不過同樣是解離出氫離子與氫氧根離子,也是有分強弱的。解離效率很好的酸如硫酸、鹽酸,就是我們一般所說的強酸;而相對應解離氫氧根離子效率很好的鹼如氫氧化鈉、氫氧化鈣,就是強鹼了。和實驗室常見的强酸如鹽酸、硝酸不同,磷酸是可以解離出三個氫離子、形成三種不同酸根的三元弱酸

提出酸鹼質子理論的布倫斯惕(Brønsted,左)和勞里(Lowry,右)。圖/wikipedia

但布倫斯惕(Brønsted)和勞里(Lowry)認為阿瑞尼士的酸鹼定義還不夠,他們進一步擴充:凡是能給出質子H+)的物質都是酸,凡能接受質子H+)的物質都是鹼。在這「一個願給,一個願收」的關係中,反應物與產物被稱為「共軛酸鹼對」:反應物是酸的話,產物就是共軛鹼;反應物是鹼的話,產物即為共軛酸。(後來路易斯(Lewis)將酸鹼定義擴大至電子的給予和獲得角度,詳細可參閲 路易斯酸與鹼

所謂的緩衝溶液(buffer solution),就是由弱酸及其共軛鹼(或弱鹼及其共軛酸)所組成的緩衝對配製的。有打電動的人應該知道,「加 buff」就是用各種道具增强玩家的能力,「buff」英文原意為「增强」,加上 -er 變成「buffer」,即有引伸為「保護以抵禦傷害」的意思。因為緩衝溶液具有緩衝對,在加入酸或鹼時,都能跟對方反應進行酸鹼中和,可以減緩 pH 值改變,對細胞能在穩定酸鹼平衡下正常工作,可説是功不可沒。

磷酸為三元弱酸,其解離方程式與酸解離常數 (Acid dissociation constant, Ka) 如上。

而不管在酸性、中性、或是鹼性環境中,磷酸都能解離出維持酸鹼平衡的緩衝對。作為理想的緩衝劑,磷酸的緩衝對不止存在於血液中,磷酸鹽更被廣泛地利用在食品的添加物中。

磷酸鹽毒性低又多功能?切勿亂用!

磷酸鹽家族成員衆多,具有不同的形態包含正磷酸 (ortho)、焦磷酸(pyro)、三聚磷酸 (tripoly)、及多聚合磷酸 (poly/meta)。介於 pH 4(中等酸性)到 pH 12 強鹼性的各類磷酸鹽,以不同比例調配的話,就可以得到 pH 值穩定在 pH 4.5 ~ 11.7 之間的緩衝劑,可適用於大多數落於 pH 3.5 ~ 7.5 的食品中 。

食物如生鮮肉品在屠宰後,會因為細胞繼續進行無氧(anaerobic)代謝作用而累積乳酸(lactic acid),改變原本酸鹼值和脫水。而磷酸鹽緩衝劑的特性,可以調整食物的 pH 值,使食物能維持原本的色彩。除了作為 pH 調節劑和穩定劑,磷酸鹽也具有很好的保水作用。磷酸鹽也能和肉組織中的鈣鎂離子結合,讓其中的肌肉蛋白鬆弛,使水分可以被維持在組織中,增加肉的口感和顔色。同時和鈣鎂離子的結合,也能減慢氧化腐敗的作用。

加入磷酸鹽,對改善食物風味的特質有諸多好處,加上毒性低,因此成為被廣泛應用的食品添加劑。儘管磷酸鹽包辦了各種功能,是合法的食品添加物,但使用上仍有法規限制。根據《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》規定,水產方面只限用於貢丸和魚丸等加工食品,用在生鮮水產品如蚵仔或蝦仁可是違法的!

所以磷酸鹽可以用在蝦仁蚵仔上嗎?答案是:違法!圖/Pixabay

吃太多磷酸鹽也是母湯

磷酸鹽存在於日常所吃的各種食物中,已是不爭的事實,為什麽媒體報導和 line群組訊息中,總是大肆渲染食物中添加磷酸鹽的問題呢?

儘管磷酸鹽自然存在於生物體内,但如前面提到的,由於磷酸根會傾向與鈣離子結合,若攝入體内的磷酸鹽過量,便會影響人體鈣離子的吸收,造成骨質疏鬆、血管鈣化等健康問題。此外,過多的磷酸鹽,也會對腎臟造成很大的負擔,長久大量攝取,容易引起腎臟功能。

那麽,一個人正常合理的磷酸鹽攝取量又是多少呢?

除了加工肉品,其他食物如麵包、乳製品中也都常用磷酸鹽作爲食品添加物。圖/Pixabay

根據現行「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」,食品中磷酸鹽的用量不可超過 3g / kg 。目前歐盟訂定的每日容許攝取量(Acceptable daily intake, ADI),則是 40 mg / kg。對於一個體重 70 kg 的成年人而言,大約是每天 2.8 g 的磷。而「國人膳食營養素參考攝取量」的每日營養素建議攝取量中,13 至 18 歲的青少年建議每日攝取 1000 mg 的磷,成人則為 800 mg。假設一根 50 g 的市售香腸磷含量為 1.50 g/kg,那麽一個青少年一天大約吃 13 根香腸會超過建議攝取量。13 根香腸聽起來有點多,但天然食物中也含有磷,別忘了將其他食物也納入每日磷攝取量的考量中。

總而言之,對於食物中加入磷酸鹽一事,我們不必過度憂慮,只要注意日常攝取量不要超標即可。但在生鮮水產中加入磷酸鹽仍屬違法行為,作為消費者,看見水噹噹、肥美得過分的蝦仁蚵仔,還是需要小心警惕!

參考資料:

  1. 緩衝溶液
  2. 認識食物中的磷與磷酸鹽
  3. 磷酸鹽在食(肉)品加工中的應用
  4. 食品添加物使用範圍及限量暨規格標準
  5. EFSA issues new advice on phosphates
  6. 國人膳食營養素參考攝取量

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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