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日本獲得命名權的 113 號元素,是怎麼誕生的呢?

艾粒安鈉
・2016/01/30 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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元素週期表再添新成員!在 2016 年元旦前夕,113 號元素ununtrium,Uut)的發現獲得了官方認可,進入了元素週期表的大家族。由於 113 號元素非常不穩定、放射性極高,科學家花了十多年的心血,終於能製造這難以捉摸的元素,並重覆實驗結果,讓 113 號元素得以驗明正身!

核物理學家提出的「穩定島」(island of stability)假說,認為 120、126 號元素附近的元素原子核能夠長時間穩定存在;113 號元素的發現,讓通往穩定島之橋逐漸成形,到底這號元素有何特別之處,背後又有什麼歷史呢?

element 113

發現還是發明?113 號元素的早期研究

像 113 號元素這類的超重元素,由於壽命極短、稍縱即逝,而且形成條件極為嚴苛,在地球上並不自然存在,因此科學家與其說是發現超重元素,不如說是「發明」元素呢!實際方法是使用粒子加速器將兩個較輕的原子核相撞,發生核反應而融合成較重的原子核。

2003 年八月,俄羅斯的杜布納聯合核研究所(JINR)與美國加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室(LLNL)的合作計畫中,科學家利用鈣原子核(含 20 個質子)和鋂原子核(含 95 個質子)相撞,融合成 115 號元素原子核,此原子核再進行 α 衰變,放出含 2 個質子的氦原子核後,產生了 113 號元素:

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CaAmUup1
CaAmUup2

由於從 115 號元素開始這條衰變鏈中的所有原子核,都是以往沒有發現過的,要以化學方式辨認這些元素的放射性衰變產物,才能證明當初的確產生了 115 號以及 113 號元素。理論上 113 號元素再經過四次 α 衰變之後,會產生屬於第五族元素的?(「金杜」,dubnium,Db),科學家也宣稱化學方法證明產生的元素符合第五族元素性質。然而,2011 年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)和國際純物理與應用物理聯合會(IUPAP)聯合小組認為,第四族元素與第五族元素的化學性質非常相似,無法以足夠的可信度區別,因此駁回了美俄聯合研究小組對 113 號元素的發現。

為何是日本團隊命名?日本理研再度發現

日本理化學研究所(簡稱理研,RIKEN)的仁科加速器研究所在 1980 年代開始發展粒子加速器的技術,並成功研發出世界最高粒子束密度的「理研重離子直線加速器」(RILAC,RIKEN Heavy-ion LINAC)。加上氣體充填型反跳分離器(GARIS,Gas-filled Recoil Ion Separator)的輔助,可以高效率分離並收集核反應的產物,超重元素的合成在 2001 年正式展開!

直線粒子加速器示意圖
直線加速器示意圖,帶電粒子經由每根電極管(drift tube)之間施加的電場不斷加速。來源:Cyberphysics.co.uk

理研由森田浩介博士領軍的科學團隊,利用加速的鋅原子核束(含 30 個質子),不斷撞擊鉍元素(含 83 個質子)的靶體,並在 2004/7/23 首度偵測到一顆 113 號元素的原子核:

ZnBiUut

這顆原子核衰變的產物?原子核,先前曾由 P. A. Wilk 在 2000 年發現;但理研製造的這顆?原子核,發生了核分裂,Wilk 製造的則進行了 α 衰變。2005 年四月,理研製得了第二顆 113 元素原子核,可惜的是,這顆原子核的衰變數據跟第一顆不盡相同;因為?原子核很不乖,有三分之二的機率會發生核分裂,只有三分之一的機率會進行 α 衰變,產生確定的產物。加上缺乏有力的化學證據來確認衰變產物,因此以上的發現依然沒有受到承認,與杜布納研究所在 2003 年的發現一併被駁回。(崩潰啊!)

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兩次實驗結果不一致怎麼辦呢?再做第三次啊!這也是沒辦法的事……然而命運之神的捉弄,讓森田博士又花了七年的光陰,才終於在 2012/8/12 製造出第三顆 113 號元素原子核!或許受到森田博士鍥而不捨的努力精神感召,這一顆 113 號元素按部就班連續進行六次 α 衰變,形成含 101 個質子的元素鍆(mendelevium,Md)。其中最後兩次的衰變與先前的研究結果相當一致,最終產物鍆的形成也相當明確。行蹤成謎的 113 號元素,終於驗明正身,並獲得 IUPAC/IUPAP 聯合小組的官方認可。發現 113 號元素的競爭,最後由日本理研的森田博士取得勝利!

Uutdecay

113 號元素的命名

在 113 號元素的發現尚未證實之前,根據 IUPAC 對新元素的暫時命名規則,以來自拉丁文的 un(一)- un(一)- tri(三)編號,再加上-ium(元素)字尾,稱為ununtrium(Uut),中文就照字面翻譯為 113 號元素囉!小編記得以往 104 至 109 號元素尚未取得正式命名時,坊間許多元素週期表把這六個元素的暫時名稱,譯成[金四]、[金五]、[金六]、[金七]、[釟]、[釚]六個中文字,才擠得進元素週期表的小小格子裡!如今這幾個元素已有正式的中英名稱。

而官方在核准 113 號元素進入週期表的同時,也授予日本理化學研究所對此元素的命名權。這也是亞洲國家首度獲得元素命名權的榮耀時刻!目前提議的名稱有「日本元素」(Japonium,Jp)、「理研元素」(Rikenium,Rk)、以及紀念日本物理之父仁科芳雄的「仁科元素」(Nishinanium,Ns)。113 號元素最後究竟叫什麼名字,讓大家拭目以待吧!待英文正式名稱確定後,中文以每個元素由單音文字為命名原則,又將掀起國內科學單位的一波討論,但無論如何,以後大家就不必用又臭又長的「113 號元素」來稱呼它了!

  • 2017/2 y 編按:第 113 號元素已正式命名為「Nihonium」,符號為「Nh」,由日本的日文發音就是「Nihon」再加上元素常見的後綴詞「ium」。中國將其中文名訂為“缺字圖片”,台灣尚未公佈正式名稱。

為何超重元素這麼難合成?

以前有居禮夫婦從上噸的瀝青鈾礦萃取出鐳的壯舉,現代則有科學家不斷運轉粒子加速器合出寥寥幾顆超重元素原子核的成就,兩者的嘔心瀝血程度堪可比擬!為何超重元素這麼難合成呢?首先有個問題要釐清:原子核是由質子和中子組成的,中子不帶電、質子帶正電,正正不是相斥嗎?為何原子核不會自動散掉呢?原來,基本粒子之間除了電磁力之外,還有一種強核力strong nuclear force,又稱強交互作用,strong interaction),既然如此稱呼,表示這股力量相當強大,勝過了質子之間互相排斥的電磁力。

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就是這種強核力,把原子核中的質子和中子緊緊束縛在一起。然而,強核力的作用距離非常短,當原子核變得越來越大顆,強核力逐漸不敵質子之間的電磁排斥力量,造成原子核不穩定,會自發性放出一些粒子(衰變),變成更輕更穩定的原子核。這也是為什麼包含鉍(bismuth,Bi)在內以及更重(原子核含有更多質子)的元素都具有放射性,原子核越重就越不穩定、越難以合成和捕捉,元素表最後幾號的超重元素更是稍縱即逝,以 113 號元素為例,壽命只有數千分之一秒!

兩個原子核若距離較長,受到電磁力互斥;但當原子核距離夠近,強作用力將原子核之間拉近而融合。來源:維基百科
兩個原子核若距離較長,因電磁力(粉紅外圈)互斥;只有原子核距離非常近,強作用力(綠色內圈)才能將原子核之間拉近而融合。來源:維基百科

合成超重元素的科學意義

放射性如此強烈、倏忽即逝、合成又難如登天的元素,當然完完全全沒有實用價值了,那麼科學家為何明知山有虎,偏向虎山行呢?文中第一段提到的「穩定島假說」,大概是支持這些努力不懈的科學家最大的動力了。核物理學家發現,質子、中子數量是偶數的原子核,比奇數的原子核更加穩定,這也是為什麼 114 號元素鈇(flerovium,Fl)和 116 號元素鉝(livermorium,Lv)都比 113 號元素提早入住元素週期表。

更有甚者,質子、中子數量若為一些特別的「魔數」(magic number),這樣的原子核的穩定性更是大大增加。根據公式,126 也是魔數,所以 126 號元素很可能反轉原子核越重越不穩定的趨勢。儘管距離 126 號元素依然有一段距離,但隨著新超重元素的發現,科學家的視線也越來越明朗,可以藉由不斷累積的實驗數據,逐步修正這個早在 1960 年代就提出的穩定島假說。憑藉著一股科學家的浪漫,朝著穩定島的亞特蘭提斯大陸航行吧!

穩定島示意圖。來源:維基百科
穩定島示意圖。來源:維基百科

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艾粒安鈉
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主修有機合成。對化學、天文、幾何學、地理、氣候、統計學、語言學、心理學、社會學、音樂和烹飪都有興趣。不願一生為學術研究爆肝,而熱愛為感興趣的學科認真寫科普文章,並用創意比喻和爛梗讓大家喜歡科學。多元性別,最高心跳210,海豚音到重低音一手包辦。

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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人類的「長跑」很厲害?靠「跑」在荒野中脫穎而出
F 編_96
・2024/12/26 ・3048字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷(Death Valley)「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下,每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事:Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上,跑步或走完 217 公里的山路,一路衝向位於美國本土最高峰(聖女峰)附近的終點。這聽來猶如天方夜譚,但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地,為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去?

事實上,速度上我們遠不及同等體型的動物,例如豹或馬,然而要比拼耐力,人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗,即使我們在短程衝刺中會被輕易超越,仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕,最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力?。

在跑步上,人類以耐力著稱,可透過拉長距離讓速度更快的動物因高溫與疲勞而屈服。圖/envato

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測,大約 700 萬年前,類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」,轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙,卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢:

  1. 更廣闊視野:直立行走時,頭部位置提高,有利於觀察周遭環境,提早發現危險或獵物。
  2. 省力遷徙:兩足步態下,移動同樣距離所需能量相對降低,足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化,人科動物(hominids)在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上,並非以速度壓倒對手,而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設:古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物,待獵物體溫過熱而力竭之際,人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力,另一方面倚仗強大的散熱能力。

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足部與下肢結構:為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼(Daniel Lieberman)指出,人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡,稍加留意便能發現許多奧祕。

  1. 短腳趾與足弓結構
    • 人類的腳趾較短,是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長,每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
    • 足弓(包括足底肌腱與韌帶)則具備彈簧般的功能,可在踩踏地面時儲存彈性能量,接著釋放推力,減少肌肉能量消耗。
  2. 強力肌腱與韌帶
    • 跟腱(Achilles tendon)和髂脛束(IT band)都能吸收並釋放大量彈力,在跑步時有效節省體力。
    • 透過肌腱的彈性能量回饋,跑者在每一步落地與蹬地之間,都能減少額外的肌肉耗損。
  3. 臀部肌群的角色
    • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌(gluteus maximus),能夠穩定軀幹,使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
    • 這種「穩定性」非常關鍵,它能支撐直立姿勢,維持跑步時的協調和平衡。
人類發達的臀大肌穩定軀幹,得以支撐直立姿勢,提升跑步時協調與平衡的能力。圖/envato

軀幹與上肢:不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

  1. 擺臂對頭部穩定的影響
    • 當我們在跑步時,雙臂自然擺動,有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩;換言之,手臂的擺動能對沖下肢動量,讓我們在快速移動時仍保持穩定,頭部不至於過度搖晃。
    • 猿類上肢肌肉發達,卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性(能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線),這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
  2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
    • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接,跑步時,骨盆能與肩部做出相對扭轉運動,使軀幹整體更靈活。
    • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏:腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統:靠「排汗」征服烈日

人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。圖/envato

在非洲大草原上奔跑,面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力,甚至能在午後與動物「耐力大戰」?

  1. 排汗與體溫調節
    • 大多數動物主要依賴氣喘(如狗的哈氣)或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺;這使我們可藉由大量流汗帶走熱量,再透過汗液蒸發達到降溫效果。
    • 雖然我們也會因此流失水分與電解質,但只要能適度補充,便能持續散熱。而某些大型哺乳動物,在持續奔跑一段時間後,往往因過熱而只能停下休息。
  2. 無毛皮膚與蒸發效率
    • 相較於其他哺乳類,人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域,大片皮膚裸露,有助於排汗時的蒸發散熱。
    • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果,確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵,而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式:維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時,呼吸通常與四肢步態高度耦合,比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣,較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態,使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

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  • 獨立呼吸調節
    • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率,不一定要剛好配合腿部的落地次數。
    • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中,能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
  • 嘴巴與鼻子的雙重進氣
    • 為支撐長時間有氧運動,跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸,以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
    • 相較之下,某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率,一旦體溫飆升,便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會,大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物,我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項,到極端氣候下的 Badwater 135,人類透過持續的鍛鍊與後勤補給,一次又一次突破極限。

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運動員的大腦跟一般人不一樣?從腦科學看體力之外的奪冠秘笈
F 編_96
・2024/12/17 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」?這種天賦到底是什麼?運動員哪裡跟我們不一樣?這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現,運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異,這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力,還要比腦力了嗎?這些差異具體差在哪裡?

快速反應:視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中,快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現,職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景,例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊,並迅速做出反應。

擁有快速的視覺處理能力,對團體運動來說至關重要。圖/envato

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場,例如在傷後復健階段,確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

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肌肉記憶:動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言,肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示,大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊,最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考,便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動,這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力:球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力,例如棒球擊球手能根據投手的動作,快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現,當擊球手預測投手的投球軌跡時,大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中,學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現,潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域,如上顳溝(STS),比普通人更厚,這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

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平衡與空間感:身體控制的高峰

對體操選手來說,擁有非凡的平衡感與空間感知能力,兩者缺一不可,而這在科學上被稱為「本體感覺」(proprioception)。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態,即使在空中失誤也能及時修正動作。

對體操選手來說,平衡感與空間感知能力非常重要。圖/envato

然而,當這套「安全網」失靈時,可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中,體操選手西蒙·拜爾斯(Simone Biles)因「扭轉失靈」而一度無法控制動作,凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性:多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換,例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示,運動員,特別是參與高強度間歇訓練的選手,擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出,這些能力的提升可能與長期訓練相關,但確切機制仍需進一步研究。

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抗衰老的秘密:運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響,可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響,可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科(Olga Kotelko),她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康,其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為,持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

運動不只是對身體的鍛鍊,對維持大腦健康也有影響。圖/envato

下一代的訓練策略:腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步,科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練,例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾(Kylie Steel)指出,運動員的身體或許會訓練至極限,但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如,足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門,以提升大腦靈活性,幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響,運動改變的不僅是肌肉,還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶,再到抗衰老的腦部結構,透過運動與科學的結合,將為未來的運動員開啟全新可能性,也提醒我們,持續鍛煉不僅益於身體,也有助於大腦的健康。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃