科學冷知識:超人的X光眼為何看不透鉛?

科學冷知識:超人的X光眼為何看不透鉛?
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我們想讓你知道的是

為什麼X光技師為你拍X光照片時要躲在襯了鉛的牆壁後面?牙醫師拍攝牙齒X光照片時為什麼要給你蓋上鉛圍兜?   

文:羅伯特.沃克 

超人的X光眼睛為什麼看不透鉛?

如果他努力去試,他就能看透。那只是他的創造人——傑瑞.席格(Jerry Siegel)與喬.沙斯特(Joe Shuster)(此二人是創作超人漫畫的作者)告訴他,他除了鉛之外都看得透。就像任何一位好漫畫角色,超人忠實地服從他的創造人。   

席格與沙斯特的想法似乎認為X光不能穿透鉛。否則(照理說),為什麼X光技師為你拍X光照片時要躲在襯了鉛的牆壁後面?牙醫師拍攝牙齒X光照片時為什麼要給你蓋上鉛圍兜?   

鉛確實在整個核研究與核技術界被用做輻射遮蔽材料。但真相是鉛毫無特殊之處,它只是比其他材料能更省錢地達成任務。 

X光只是以光速越過空間的純粹能量電磁輻射中的一種。在醫師診療室外更為人熟知的其他種電磁輻射包括:光、烹飪食物的微波,還有攜帶所有節目到我們收音機與電視機的無線電波。   

這些能量波飛行時全都會上下左右振盪。事實上,它們的能量就是由這些振盪構成。當振盪頻率愈高——每秒鐘振盪次數愈多——意味著輻射的能量愈高。   

電磁輻射依照能量由低至高的順序排列是:調幅廣播、短波、電視與調頻廣播、雷達、微波、光(人眼可見與不可見都有)、X光與放射性物質放出的伽瑪射線。   

因為X光具有的能量很高,你或許預期(就算你不知道)它是穿透力很強的輻射。它們像槍彈穿過果凍一般輕易地穿過肉體。骨骼則僅僅抵擋了部分X光而在感光底片上形成可供醫師診斷的陰影。但不幸的是,X光與伽瑪射線都是游離輻射,也就是說當它們穿透過肌肉、骨骼或者任何東西的原子時,它們會敲掉一些電子而形成陽離子(缺少幾個電子的原子)。   

在不涉及細節的情況下打個比方,我們可以形容不具備一套完整電子的原子,就像在生命的化學遊戲裡胡亂發射的大砲。它們會以奇異而且有害健康的方式擾亂我們身體的化學作用。這也是為什麼我們要遮蔽自己,使自己免於X光以及例如來自放射性物質的其他游離輻射的照射。   

我們應該用什麼來阻擋X光?任何具有許多原子與許多電子可供撞擊的東西都可以,因為X光每撞掉一個原子裡的電子,它就損失一些能量。所以我們用愈多具有許多電子的原子攔在路上,X光會因愈快喪失所有的能量而停下來。但是老天!這些物質全都太昂貴了,何況誰想要躲在一道放射性鈾的牆壁後面以逃避X光?   

所以唯一的重點是計算每一塊錢能夠買到每立方吋裡面多少個電子。鉛比任何其他材料更符合這個要求。每個鉛原子有82個電子、密度是水的11.35倍,而且一美元大約可以買十磅鉛(如果你想知道,每立方吋的鉛有4×1025個電子,那就是4的後面加25個零)。   

但是不論一塊鉛板或者其他東西有多厚,總是會有一些X光穿透它。只不過鉛板愈厚,穿透的X光愈少。理論上,任何厚度的材料都不能完全擋住一束X光。我們只能把它降到相對上無害的標準。

你當然可以使用比鉛更便宜,但是效果較差的X光遮蔽物——只要更厚就可以。例如,儘管相同厚度的混凝土吸收X光能力遠不如鉛,但是一堵厚厚的混凝土牆可以做到與較薄的鉛板相同的功效。如果你有許多空間可用,你甚至可以使用最便宜的材料——水。每個水分子只有10個電子,但是如果在你與X光來源之間有夠多的水,你仍然很安全。   

席格與沙斯特或許知道這一切,但是承認這回事就破壞了一個很棒的漫畫點子。這樣一來,漫畫女主角才能夠安心地相信襯了鉛的上衣不會被超人看穿。   

但溫文有禮的克拉克(超人的名字)學聰明之後,這招就不靈了。


為什麼拿黃瓜片敷臉會涼涼的?

為什麼黃瓜會「像黃瓜一樣涼」(cool as cucumber,這句英文成語的原意是「冷靜」)?我在一本烹飪書與一本雜誌上都讀到:黃瓜永遠比它們周圍的環境涼20度。這是怎麼造成的?   

20度,嗯?那我們倒要瞧瞧(假設我們談的是「華氏黃瓜」而不是「攝氏黃瓜」)。   

如果黃瓜永遠比它們周圍的環境涼20度,那麼,讓我們把一條黃瓜放進裝了許多黃瓜的桶子裡,然後看看會發生什麼事。它們會不會大戰一場?因為每一個都企圖比自己身旁的黃瓜涼20度。你有沒有看過一桶黃瓜突然沒有明顯的原因就自己凍結成硬塊?   

或者,這個點子怎麼樣:如果黃瓜永遠比它們周圍的環境涼20度,讓我們用黃瓜造一個大箱子,而且把我們所有的葡萄酒都好好貯藏在裡面。箱裡面的溫度或許是華氏55度。喔,才這樣而已?那讓我們再造一個比較小的黃瓜箱子而且放在第一個箱子裡。這樣或許會讓溫度再低個20度。於是我們可以在美好的華氏35度(約等於1.6度C)下存放啤酒。謝謝你,我們不需要冰塊,因為再加一個箱子,我們就能降到比冰點低更多的溫度,而且還可自製冰塊。只要有夠多的「箱子裡的箱子」,我們就可以造出一個連地獄都能凍結的冰箱(西方人相信地獄奇熱無比),而且還不必插上電源。  

不過,前述說法已經違反物理界最基本的定律——熱力學第一定律,更普遍的名稱是「能量守恆定律」。因為我們有一種必須不停向周圍環境發散熱能的物質——黃瓜肉。這是一個物體保持低溫的唯一方法,亦即不斷拋掉任何從鄰近物體自然流進來的熱能。因為熱是能量,黃瓜肉就等於是取之不竭的能源,而且是免費的。不需要燒煤或石油,也不需要忍受核能問題。我們可以用黃瓜能發電、推動無污染汽車、灌溉沙漠以種植更多黃瓜!我們可以……   

我們唯一做不到的是使某些人不繼續在書裡面說些傻事。還有,那個完全捏造的20度當然是不可能的。自動冷卻的黃瓜(或者自動冷卻的任何其他東西)根本不存在。除非我們從其他地方供應或移走能量,否則甚至沒有東西能夠永久保持與環境稍稍不同(較冷或者較熱)的溫度。這也是為什麼廚房的電器必須插電;因為我們必須使用發電廠送來的電將熱能抽到冰箱外面,還有將熱能送進烤箱裡。   

你說當你拿起還沒放進冰箱的黃瓜並把它抵在額頭時,它真的令你感覺沁涼。當然會這樣。那是因為黃瓜比你華氏98度(約36.7度C)的皮膚涼,而不是因為它比華氏70度的房間涼。

趣味小實驗

把沒有冷藏過的黃瓜與馬鈴薯放在同一個地方幾小時。接著把它們切開,然後用切斷面抵住額頭。它們會令你感覺一樣的涼。再給它們各插一只烤肉溫度計,就可以證明它們溫度相同。

除了空氣流動與窗口射入陽光之類的變化外,房間裡每一件物體溫度都相同。除非你把屋裡暖氣的控溫器定在華氏98.6度(人體的正常溫度),否則物體與你的皮膚相比都是比較涼的。   

當任何兩個物體接觸時,熱自然會從較高溫的物體流到較低溫的物體。所以當黃瓜(或者任何其他室溫物體)吸走額頭上的熱量時,你就會因失熱而感覺涼爽。   

從科學角度來說,當然沒有「冷」這回事,只有不同程度的「熱」。「涼」與「冷」這些字只是語言上的方便。「像黃瓜一樣涼」同樣只是方便的說法。它比你說「像大頭菜一樣涼」要有趣多了。

愛因斯坦究竟想說什麼? 我知道愛因斯坦E=mc2的方程式重要極了,而且它和原子彈有關係。但是它對於我們這些普通人又有什麼意義?   

坦白說,意義不大。但這不是說愛因期坦的方程式不是人類心智歷來最靈光一閃、驚天動地的發現之一。雖然它和我們眼皮子下面每天發生的事有關,但也因為它們太微小而不容易引人注意。除非是用你提過的原子彈來引起我們注意,而且這保證是有史以來想要引人注意的最有效玩意兒。

這個舉世最有名的方程式由愛因斯坦在1905年第一次寫下,屬於相對論裡面的一小部分。除了其他許多的發現,愛因斯坦也發現質量與能量之間的密切關係(能量是使事情發生的能力,質量大致上就是一個物體的重量)。   

我們直覺上喜歡相信能量是能量,物體是物體,就這麼簡單。但是愛因斯坦發現能量與質量在廣義上其實是同一種玩意,是兩個可以互換的東西。因為沒有更好的名稱,我們就稱呼這個玩意兒為「質能」。愛因斯坦驚人簡單的小方程式可以用來決定多少能量相當於多少質量,而且可以反方向計算(給沒鑽研過數學的人看——如果m代表某一數量的質量,而E代表相對應數量的能量,這個方程式說的就是,只要把m乘上用c2代表的某一個數字,就可以確定能量是多少。c2的數字會大到難以計算——它是光速的平方——所以你可以從很少的質量得到巨大數量的能量)。   

愛因斯坦的方程式與日常生活關係不大(除了某一個稍後會提到的例子)。原因是日常產生能量的活動,例如:食物的新陳代謝與燃燒煤、汽油等,都是純粹的化學過程,而且在一切化學過程中轉換成能量的質量小到微不足道。

相關書摘 ►科學冷知識:為什麼鐵達尼號會沉,冰山卻不會?

書籍介紹

《蟋蟀先生,今天氣溫幾度?:愛因斯坦也不知道的109個科學謎題》,臉譜出版
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作者:羅伯特.沃克
譯者:高雄柏

你想過嗎,為什麼肥皂能夠分辨哪些是髒東西?不沾鍋為什麼不沾?為什麼空氣是透明的?水為什麼能滅火?為什麼魚有腥味?拿黃瓜片敷臉為什麼會覺得涼涼的?你知道嗎,爐火愈大並不會愈快把義大利麵煮熟?天然海鹽所含的礦物質並沒有比普通調味鹽多,也沒有比較營養?倒番茄醬居然要運用牛頓力學?還有晴天的白雲和雨天的黑雲跟水滴大小有關?

我們在日常生活中經常遇到許許多多「為什麼」,要不覺得事情本來就如此,習焉不察;要不認為它們屬於科學範疇,裹足不前。本書作者以淺顯又生動的說明,告訴我們這些「為什麼」後面其實都隱藏著科學的道理,而且用最趣味盎然的方式讓這些「為什麼」都找到答案。於是我們恍然大悟:原來,科學也可以這麼簡單、這麼有趣!

這不是一本嚴肅枯燥的科學教科書,也不是淺顯的腦筋急轉彎。本書兼具趣味、實用和科學知識,內容包括居家生活、廚房烹調、汽車、市售商品及太空等領域的謎題,提供日常生活的科學解答。

蟋蟀先生_3D書
Photo Credit:臉譜出版

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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