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現在的日本食品安全嗎?我們該擔心輻射嗎?

活躍星系核_96
・2015/04/01 ・3901字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

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  • 2016/11/16編按:本文章雖然在2015年撰寫,但對於近期的「日本非福島核災地區食品輸入」爭議仍非常有參考價值,因此仍維持原標題「現在的日本食品安全嗎?」
  • 關於「日本非福島核災地區食品輸入」目前仍未開放。衛福部及農委會擬採取二階段開放進口,第一階段先開放馬、櫪木、茨城、千葉等四縣市(不包含福島縣),除了飲用水、茶飲料、奶及乳製品、野生菇類、野生蔬菜、野生鳥獸肉和日本原本就不得流通的食品等不得進口以外,其他食品需檢附日本官方「輻射檢驗報告」和「產地證明」(所有地區皆要有)才可進口。第二階段則視第一階段實施情況調整。
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圖為日本刻意栽培的「方塊西瓜」。

文 / 張文杰(清華大學工科所碩士,目前為清華大學核工所的研究助理)

近來(2015 年 3 月底)日本食品標示造假事件鬧得沸沸揚揚,標示如果真的有造假,導致禁止進口地區的食品進來販賣,那這當然是違反目前台灣的法規限制,這些食品也應受規定而下架。然而標示造假和食品安不安全卻是兩回事,我認為台灣民眾最關心的就是現在日本食品到底安不安全、吃了會有什麼影響。

食品中的輻射

在提到食品的輻射(放射線)時,要先來介紹一下兩個常用到的輻射單位——貝克(Bq)和西弗(Sv)。貝克是用來表示輻射能量的單位,1貝克是指某個放射性物質的原子核,在1秒鐘有1次衰變,並放出一道放射線的情況。放射性物質所放出的輻射,會依照放射性物質的不同,在單位時間所放出的量也有所差異。而用來標示放出輻射的能力時,就會使用貝克當單位。

一般在講食品的輻射含量有多少時,大都是在講銫-134、銫-137 與碘-131的貝克有多少,例如衛福部公布的日本輸入食品輻射檢測結果,只有公布銫-134、銫-137 與碘-131檢測結果[1]。一來是因為這幾個是會釋放出γ射線的核種,可以快速檢測出來,而於鍶-90 或鈽-239 其他核種要分別針對檢測 β 射線以及 α 射線,需要幾個禮拜的時間才能檢測出結果來,二來是現行核分裂所釋放核種主要也是以銫-134、銫-137 與碘-131為主,舉例來說,從福島縣內的收集資料顯示,在福島核災中所釋放出來的鍶數量還不到銫的 0.4%,鈽的數量就更少了,幾乎可說是趨近於零。

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除此之外,在決定食品中放射性物質的標準值時,也有把鍶當成 10% 的銫而計算包含在內,所以不用擔心只公布銫-134、銫-137 與碘-131檢測結果會有所不足。此外,又因為碘-131 的半衰期只有八天,所以現在媒體或衛福部在講說食品中有多少貝克,是指銫-134和銫-137所相加的貝克數量。

目前我國和其他國家的銫與碘之限值如下表,可看出我國的標準可說是相對嚴格的,而日本因為發生了核災,為了挽回對食品的信心才另外訂下這超級嚴格的標準。

核種 食物種類 我國 CODEX 加拿大 歐盟 美國 新加坡、香港 日本
碘-131  乳品  55  100  500  –  –  –
 嬰兒食品  55  100  –  –  –  100  –
 其他食品  300  100  1000  2000  170  100  –
銫-134  乳品  370  –  300  370  –  –  50
嬰兒食品  370  1000  –  –  –  1000  50
+銫-137 其他食品  370  1000  1000  600  1200  1000  100

▲ 表一、各國各放射性核種之限值。(單位:貝克/公斤)

西弗是什麼?

西弗是用來表示輻射對生物的影響所使用的單位,因為即使貝克數相同,但放射線的種類不同,對人體組織所造成的影響所會有所不同,所以會轉換成用西弗(有效劑量)來表示對生物的影響。也就是說,「不論是天然界的輻射、醫療用的輻射或是核電廠的輻射,只要西弗數相同,對人體或是健康的影響都是相同的」。

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在國際輻射防護委員會(ICRP)才會在 2007 年的報告中指出:「劑量低於 100 毫西弗以下並無臨床上可察覺症狀」,美國醫學物理學會(AAPM)也在 2011 的時候發表聲明說:「在短時間內接受『低於 50 毫西弗的單次檢查』或『合計低於 100 毫西弗的多次放射線檢查』所造成的風險低到測量不到或是根本不存在」,希望能減少患者因為恐懼輻射拒絕合理放射性檢查而延誤治療的狀況。至於那些「白血球減少、皮膚潰爛、消化系統崩潰、不孕」之類的效應都至少要大於 250 毫西弗以上才會發生。簡單的說,我們不需要要為短時間內被曝露 100 毫西弗以下的輻射劑量寢食難安,因為不僅僅癌症風險不顯著,甚至根本不會發生任何的急性確定傷害。

另外值得一提的是,台灣地區的天然輻射值為 1.62 mSv/yr,全球天然輻射的平均值約為 2.4 mSv/yr,世界上也有比天然輻射平均值高上十倍有餘的地區,例如:伊朗高原、瑞典的花崗岩礦區…等,但是這些地區都沒有觀察到有較高的罹癌率,所以低輻射劑量並不會增加致癌率,頂多跟日常罹癌率的統計誤差值差不多。

回到食品中的輻射主題,如果天天吃下一碗 100 貝克的白米飯,經過計算後,一年後所累積接受到的輻射值是約 0.025 mSv,跟上述天然輻射值相比,0.025 mSv 這數值根本不值得擔心。

那現在的日本食品安全嗎?

其實這也是全世界所注目的焦點,而許多國際上專業且有公信力的組織皆已經不約而同指出「日本食品是安全的」。美國食品藥物管理局(FDA)在去(2014)年 3 月就已公開說明,沒有任何證據顯示福島的食品有任何問題[2]。美國國家科學院在今年發表了他們從 2011 到 2014 年針對福島事件的完整偵測與監控放射線物質紀錄,這紀錄顯示了所監測到的放射性物質遠遠低於國際上所規定的飲用水標準容許含量[3]。富比世也有研究報導針對福島事件後的太平洋鮪魚做放射性調查,結果顯示「這些鮪魚所含的輻射(0.0035 μSv /Kg)只有香蕉1/20的輻射」[4]。我國原能會針對此次輸入的食品做檢測,也並未檢測出任何人工放射性核種[5]

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在學術界享有盛譽的國際綜合性科學雜誌《自然》(Nature),在今(2015)年 2 月也發表了一篇日本福島食物的放射性相關報導[6],大意是說:除了蘑菇和野豬,現在福島食品的放射性已經恢復到事故前的水平;因為蘑菇較會吸收放射性物質,而野豬會去挖蘑菇來吃,在車諾比核災後,也有觀察到蘑菇和野豬體內輻射劑量的現象。最後文中的結論寫到一位美國科羅拉多州立大學的環境科學家在去年夏天跑去福島當地住了六周,期間內只吃當地特產和飲用當地的自來水,並從食物中盡量累積最大限度地放射性元素量,六周後經過掃描後發現,沒有任何人工放射性被檢出。另一位倫敦帝國學院的分子病理學家也說,因為日本處理食品放射性的危機很出色,所以這位環境科學家的經歷是預料中事,「跟他吃下當地食物相比,他坐飛機去日本所受到的輻射還比較多」。

現在國際上關於日本食品的限制為何?

福島核災發生後,因為當下的資訊還不夠明朗、充分,所以世界各國都對日本食品採取嚴格的限制,其中最嚴格之一的可說是歐盟,當初歐盟一口氣將東日本 12 個縣市的食品全做了管制[7],但是隨著日本政府的努力以及越來越多的科學證據都證明日本食品的安全性,歐盟和其他國家也漸漸對日本食品的限制作出鬆綁。

現在多數國家都准許進口群馬、栃木、茨城和千葉這四個縣市的食品,而就算是在福島出產的食品,只要拿到日本東北農政局所頒發的「輻射檢測證明」,就可以出口到新加坡、韓國、中國、香港、俄羅斯還有歐洲自由貿易聯盟成員國(瑞士,列支敦士登,挪威,冰島)…等近二十個國家[8]

現在台灣關於日本食品的限制為何?

我們台灣至今仍然維持著 2011 年就訂下禁止福島、群馬、栃木、茨城和千葉這五個縣市進口的標準,這種從來沒有放鬆標準過的做法在世界上可說是十分罕見的,這很可能是政府受到反方壓力,抱著少做少錯的心態所致。

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現在台灣的標準號稱是「全球第二嚴格」,僅次於中國,但這只是限於表面上,因為我們不像其他國家大都有附上產地證明及輻射檢測證明。要知道,有效的管理不在於管制的門檻有多高,而是在管理手段是否合理有效。所以我強烈建議台灣應該重視科學證據並跟國際標準接軌才對,重點是要附上產地證明及輻射檢測證明,如此一來即能有效地為國人安全把關。

要知道我們台灣現在所下架、禁止的日本食品清單[9]是在日本超商和超市就可輕易買到並食用的食品,例如:午後的紅茶、森永牛奶糖、日清拉麵…等。而成田國際機場還有東京迪士尼…等知名景點的所在地,我們媒體還在用「輻射災區」、「受輻射汙染」的字眼來誤導,導致民眾對日本產生不必要的恐慌、誤解與歧視,這種風評被害的殺傷力可不比核災的影響小,一邊喊著台日友好,一邊進行風評被害,這是我們台灣人與政府該做的行為嗎?

備註:

  1. 衛生福利部食品藥物管理屬-最新食品輻射監測專區
  2. FDA Response to the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Facility Incident. FDA[March 2014 Update]
  3. 【核災之後】福島核電廠事故的海水放射性元素監測. CASE讀報[2015.02.09]
  4. Fukushima Radiation In Pacific Tuna Is Equal To One Twentieth Of A Banana. Forbes[11/16/2013]
  5. 原能會:食品檢測與國際同步,數據足可信賴,民眾可以放心. 行政院原子能委員會[2015-03-27]
  6. Fukushima data show rise and fall in food radioactivity. Nature[27 February 2015]
  7. 諸外国・地域の規制措置(3月31日現在)
  8. 東北農政局-食品等に係る諸外国への輸出に関する証明書発行について
  9. 衛生福利部食品藥物管理屬-日本食品管理工作專區
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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進軍太空產業!SpaceX 啟航,台灣太空中心佈局低軌衛星供應鏈——當商用電子產品從地面上太空,必經哪些環境測試?
宜特科技_96
・2024/12/02 ・4777字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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低軌衛星引爆全球商機,全球太空經濟在 2040 年預計突破 1 兆美元,許多國家跟科技大廠都加速投入太空市場,台灣也成立太空國家隊。但面對火箭與太空環境嚴苛的考驗,如何在地面模擬測試,使產品能在軌道順利運行?

本文轉載自宜特小學堂〈從地面到太空 商用衛星電子零組件必經的測試〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

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自從 1957 年第一顆人造衛星發射後,現今已有近萬顆衛星在太空飛行,並且數量持續增加中。衛星已經跟我們的日常生活密不可分,例如地圖導航、實況轉播等,另外.俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊連網,台灣也在今年四月的花蓮地震首次使用低軌衛星技術,協助災區通訊。因此,發展衛星科技除了民生用途,也深具國家安全考量。

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台灣從 2019 年到 2029 年,於第 3 期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣 400 億元,進行低軌通訊衛星的研製、規劃國家發射場與人才培育。工研院估算,至 2030 年全球每年將發射 1,700 顆衛星升空,屆時將創造至少 4,000 億美元的產值。根據美國衛星產業協(Satellite Industry Association)預計,全球太空經濟在 2040 年更有望突破 1 兆美元,其中衛星產業占比上看 88%,達 9,252 億美元。

衛星按軌道高度可分成低軌(LEO<2,000 Km)、中軌(MEO<10,000 Km)以及地球同步軌道衛星(GEO~35,800 Km),重量從幾公斤到數百公斤不等,其中 SpaceX Starlink 低軌通訊衛星近年轉商業化,開啟了新太空經濟模式。另外立方衛星(CubeSat)造價門檻相對低,成為切入衛星技術研究的熱門標的。衛星產業鏈日趨成熟,以及衛星發射和製造成本的降低,帶來龐大的太空商機,相應的電子零組件需求亦隨之增加,讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。

衛星依據軌道高度的分類。圖/宜特科技

衛星是由幾個次系統整合而成,包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載(Payload)…等。例如遙測衛星(Remote Sensing Satellite),它的功能是繞地球軌道拍攝照片,其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向;影像感測器則是攝取影像的酬載,電力次系統負責電力儲存與電源管理,最後將照片透過通訊次系統傳回地面。

衛星內部有我們熟知的各種電子零組件,正統太空規的電子零組件要價不斐,且某些零件因各國管制政策不易取得,而商用現貨(Commercial Off-the-Shelf,簡稱 COTS),例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件,價格親民、性能良好,供貨也較充沛,近年採用 COTS 執行太空任務是相當熱門的趨勢。

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衛星的次系統。圖/宜特科技

那麼,COTS 電子零組件要上太空,必須經過哪些驗證測試?本文將從火箭發射環境、太空環境,逐一說明 COTS 欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

3.2.1 發射!火箭發射對電子零組件的影響

1. 振動測試

衛星在地面製造組裝,需考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響;組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射,首先會承受火箭的劇烈振動,振動測試機可以在地面模擬火箭發射,以垂直與水平方向進行振動測試。不同的火箭有不同的振動大小,例如美國 SpaceX 獵鷹重型火箭的振動測試參數,以每秒鐘 10~2,000 次的振動頻率,重力加速度到幾十倍,振動測試可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程仍能正常運作。

美國 SpaceX 獵鷹重型火箭發射。圖/p.7, SPACE X FALCON USER’s GUIDE, August 2021

立方衛星振動測試。圖/Sat Search

2. 音震測試

火箭發射過程會產生音震(Acoustic Noise),尤其是面積大且薄的零件,特別容易受音震影響,例如太陽能電池板,天線面板等。音震可能會使這些零件破裂、機構損壞、功能異常。音震艙就是用來模擬火箭所產生的音震,測試時將液態氮汽化,此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力,再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙,測試音震艙內的衛星或零件。

音震艙測試。圖/European Space Agency

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3. 衝擊測試

當火箭離開地面抵達一定的高度時,各節火箭引擎開始陸續分離,接著整流罩展開釋放衛星入軌,這些過程都會產生衝擊(Shock),對衛星內部零件的焊接點、晶片,或其他脆性材料都是嚴苛的考驗。因此需要在地面先進行衝擊測試,了解衛星與其電子零組件對巨大衝擊的耐受程度。

火箭整流罩打開釋放衛星。圖/German Aerospace Center 

衝擊測試。圖/金頓

4. 電磁相容性測試

此外,因為各種電子零組件集中在火箭狹小空間內,衛星跟火箭之間的電磁干擾可能會影響任務,因此衛星在發射前也需經過電磁相容性測試(EMC),確保衛星所使用的電子零組件不會與火箭之間互相干擾。

電磁相容性測試。圖/ European Space Agency

  1. 熱真空循環測試

低軌衛星以每秒七公里的時速飛行,大約九十分鐘繞行地球一圈,衛星繞軌飛行處於真空環境,同時也會面臨溫差挑戰,當衛星被太陽正面照射時,其溫度高達攝氏 120 度,遠離太陽時,溫度可能低到零下 120 度。另外,真空環境可能使電子零組件因散熱不良燒毀,真空低壓也會造成零組件材料分解、腔體洩漏(Leak),或是零組件釋氣(Outgassing)產生汙染。

熱真空循環測試(Thermal Vacuum Cycling Test)可模擬太空環境真空狀態與溫度變化,測試時會將衛星或電子零組件架設於極低壓力的真空艙內,再經設備以輻射、傳導方式對衛星或電子零組件升降溫以模擬太陽照射,此時衛星或電子零組件處於通電運作狀態,須即時監控觀察其功能是否正常。熱真空循環通常測試為期一週甚至更長,也是衛星或電子零組件常見的失效項目。

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熱真空艙測試。圖/TriasRnD

  1. 輻射測試

少了大氣層的保護,電子零組件在太空環境會直接面對輻射的衝擊。以地球軌道而言,輻射環境包含輻射帶(Van Allen Belts)、銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays,簡稱GCR)以及太陽高能粒子(Solar Energetic Particles,簡稱SEP),這些輻射環境充斥大量的電子、質子,以及少數的重離子(Heavy Ion)等,若擊中衛星的電子零組件可能造成資料錯亂(Upset)、當機,甚至永久性故障。衛星在軌道運行壽命短則幾個月,長則數十年,衛星在軌道運行時間越長,受輻射衝擊影響就越大。

地球軌道輻射環境。圖/宜特科技

輻射對電子零組件的影響有以下三大類:

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太空輻射對電子零組件的三大效應。圖/ESA

  1. 總電離劑量效應(Total Ionizing Dose Effect,簡稱TID)

電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射是 TID 效應的主因, TID 會造成 MOS 電晶體 Threshold Voltage 緩慢飄移,零件漏電因此逐漸增加,漏電嚴重時則會導致零件燒毀。衛星可視為大型的無線行動裝置,依賴太陽能蓄電,電力相當珍貴,若衛星內諸多的電子零件都在漏電,將造成衛星電力不足而失聯或失控。

  1. 位移損傷效應(Displacement Damage,簡稱DD)

質子對電子零組件會產生另一種非輻射效應,稱為位移損傷效應(DD),屬長期累積大量質子的物理性損傷,質子會將半導體零件內的矽原子打出晶格外,形成半導體的缺陷,零件漏電也會逐漸增加,其中光電零件對 DD 效應較敏感,例如影像感測元件,DD 會造成影像品質降低,另外也會使衛星使用的太陽能電池(Solar Cell)轉換效率下降。

  1. 單一事件效應(Single Event Effect,簡稱SEE) 

TID 與 DD 可以看成慢性病,是電子零組件長期在軌累積大量質子與電子作用所造成的漏電效應,SEE 就是屬於急性症狀,隨機發生又難以預測。質子與重離子都會造成電子零組件的 SEE 效應,而重離子比質子更容易引發 SEE,太空環境的重離子數量雖然相對少,但殺傷力強,一顆重離子就可能使電子零組件當機或損壞。

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SEE 造成的故障可分成 Soft ERROR 與 Hard Error 兩大類。 Soft Error 的徵狀為資料錯亂、當機、功能異常等,重啟電路可恢復其運作,但若電子零組件對輻射很敏感,當機頻率過高則會影響任務執行,因此需以輻射測試評估其事件率(Event Rate)。Hard Error 則是永久性故障,例如重離子容易引發半導體零件栓鎖(Latch-Up)現象,若沒有對應機制,零件可能因大電流燒毀,因此 SEL (Single Event Latch-Up)是太空電子零件輻射耐受度最重要的指標之一。

單一事件效應的各種現象。圖/宜特科技

太空環境有各種能量的粒子,包含:質子、電子、重離子…,能量越高的粒子可穿透越厚的物質或外殼。低能量的粒子可被衛星外殼(鋁)阻擋,但衛星發射成本主要以重量計價,外殼厚度相當有限(通常為幾毫米厚的鋁材);而高能量的粒子則會穿透衛星外殼,影響電子零組件運作,因故使用於太空環境的電子零組件必定會被輻射影響,在上太空前必須經過輻射測試評估其特性。COTS 電子零組件,都有一定的抗輻射能力,但是必須經測試了解輻射耐受度是否適用於太空任務需求。

美國 NASA 的太空輻射實驗室。圖/NASA

COTS 電子零組件上太空前必須經過「發射環境測試」,包括模擬火箭發射時所產生的振動、音震、衝擊、電磁相容性測試,以及太空環境熱真空循環和輻射測試等,更多的測試項目就不一一細數,通過這些測試後,更重要的是取得「飛行履歷」(Flight Heritage),將產品發射上太空,若能成功執行各種任務,取得越多飛行履歷,產品的身價就越高,太空產業非常重視飛行履歷,飛行履歷也是產品的最佳保證書!

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宜特是亞洲最完整的太空環境測試第三方實驗室, 2019 年與國研院太空中心合作推動台灣太空產業發展。自 2021 年加入台灣太空輻射環境驗測聯盟以來,我們已完成多種電子零組件的輻射測試,涵蓋了類比、數位、記憶體、射頻等。我們將持續建構更完整的太空環境驗證測試能量,提供一站式服務。協助廠商可專注於產品的設計與製造。

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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黃瓜也可以當甜點?瓜籽肉會發出碘的味道?探索瓜味的多重宇宙——《料理滋味創意地圖》
積木文化
・2024/08/19 ・1432字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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黃瓜 CONCOMBRE

黃瓜可以只做成冷盤沙拉,也能在鹽水、英式醃菜中展現出多種滋味,甚至可以煮成配菜。它的滋味比看起來的要複雜許多:很明顯它有綠質及強烈的葉綠素滋味,但也有碘和奶油味。沒有交集的兩個世界,讓這種蔬菜能往兩種滋味方向去發揮!

黃瓜的芳香輪,解鎖更多黃瓜搭配。 圖/積木文化《料理滋味創意地圖

正確切削黃瓜:善用皮與苦味的微妙平衡

黃瓜外皮呈綠色並略帶苦味,想當然爾也有葉綠素滋味⋯⋯我們去皮不是為了美觀,而是要除掉這種苦味。又或者,我們可以刻意保留全部或部分黃瓜皮,對這有點侵略性的味道做進一步運用。經過斟酌的苦味能帶來無可否認的餘韻,也讓這種蔬菜含水量相當高的芳香特性變得複雜。薄荷、蒔蘿、青蘋果等「綠色」食材會凸顯出黃瓜的清新。

善用瓜味,或許會有意想不到的美味。 圖/積木文化《料理滋味創意地圖

籽肉的碘香秘密:黃瓜與海鮮、乳製品是絕配

為何把黃瓜的果肉跟籽吃進嘴裡時,能感受到碘味和奶油味呢?答案是因為醛類*1,存在於麵包皮和多種油裡。出乎意料的是,黃瓜能跟海藻、牡蠣、麵包和奶油做組合。為了發揮這些香氣,我們不妨將乳酸化合物(芒果、荔枝等)搭配帶乳香的乳狀食物(如希臘優格,這解釋了希臘沙拉醬﹝Tzatziki﹞*2 之所以成功的原因。或是藍紋乳酪、昂貝爾藍紋乳酪﹝Fourme d’Ambert﹞、馬斯卡彭乳酪也可以),以及一些像孔德里約(Condrieu)這樣帶奶油香味的酒。有了黃瓜內部的果肉跟籽,這些組合就保證成功。

*1:主要為 (E,z)-2,6- 壬烯醛、2-壬烯醛(non-2-énal)。

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*2:譯注:以希臘優格和黃瓜碎粒為主要材料的沙拉。

除了海鮮、乳製品之外,還有其他食物也可以嘗試看看。 圖/積木文化《料理滋味創意地圖

來試試吧!甘納許巧克力黃瓜

  • 準備甘納許:煮滾 300 毫升的水,加入 1 克洋菜粉,離火並倒進 150 克的黑巧克力碎片攪打混合,再倒進容器裡約 1 公分高度,隨後放進冰箱至少一小時。
  • 準備黃瓜:將黃瓜(用果汁機)榨成汁。提取 150 毫升,取其中一半與 1 克洋菜粉和一茶匙糖一起煮沸。離火,將剩下的另一半加進去,放涼後小心地倒在巧克力甘納許上(約 0.5 公分高),然後放進冰箱。
  • 擺盤:切成固定長度(約 6 公分長,1.5 公分寬)。可和黑巧克力圓脆片(Tuiles)一起食用。

不同變化:富含葉綠素的活力蔬果汁

選擇未處理過的小黃瓜,連皮榨汁,增強青綠及微苦滋味。這種富含葉綠素的果汁可以調味油醋汁、雞尾酒(琴酒等)和西班牙冷湯。可以將果汁冷凍在冰塊盒裡供多次使用。

——本文摘自 拉斐爾.歐蒙(Raphaël Haumont)、提耶里.馬克思(Thierry
Marx),《料理滋味創意地圖:法國材料物理化學專家聯手米其林主廚,15種香調、80種常見蔬果食材的氣味因子,探索 1,500 種創新風味搭配!》,2024 年 8 月,積木文化,未經同意請勿轉載。

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積木文化
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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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