探究物理：駕馭原子世界 by Chuliu 巨流圖書

▉

國家圖書館出版品預行編目（CIP）資料

探究物理：駕馭原子世界 / 于佳楠等編 ; 于今昌主編. -- 初版. -- 高雄市 : 麗文文化, 2017.02 面 ;

公分

ISBN 978-957-748-910-4（平裝）

1.原子物理學 2.通俗作品 330.8 105018430

探究物理：駕馭原子世界初版一刷•2017年2月

主編編者責任編輯封面設計發行人總編輯出版者地址電話傳真網址電子信箱劃撥帳號購書專線臺北分公司電話傳真法律顧問電話

于今昌于佳楠、于雷、王浩存、史豔秋、李占輝、袁忠、徐荔璟、孫穎、舒暢、楊臣、楊豔波、劉洋、劉晗、蘇展（依姓氏筆畫排列）林瑜璇、張如芷余旻禎楊曉祺蔡國彬麗文文化事業股份有限公司 80252高雄市苓雅區五福一路57號2樓之2 07-2265267 07-2233073 www.liwen.com.tw liwen@liwen.com.tw 41423894 07-2265267轉236 23445新北市永和區秀朗路一段41號 02-29229075 02-29220464 林廷隆律師 02-29658212

行政院新聞局出版事業登記證局版台業字第5692號 ISBN 978-957-748-910-4（平裝）本叢書經由長春出版社正式授權在台灣地區出版中文繁體字版本

定價：400元

●

本書如有破損、缺頁或倒裝，請寄回更換。

推薦序

生長在一個知識爆炸的時代，我們每天甚至每分每秒都被新的資訊衝擊著，有時根本還來不及接收，這些新訊在轉眼間已成為舊聞；隨著科技產業的日新月異，新穎的科技產品也是不斷地推陳出新。我們每天幾乎都是透過手上的 3C 產品，將所有的資訊及知識「滑」到眼前，但不論內容是什麼，我們總是用不超過五秒鐘的時間，伸出手指毫不留情地將它滑開，因為後頭還有數不盡的新訊等著我們去看，沒有時間─仔細閱覽，深怕一個不留神，就跟不上這個快速轉變的世界。在我們汲汲營營求新求快的同時，似乎忘了抬頭看看四周的世界、忘了與你身旁的人對話、更忘了伸出手去翻一本好書。放下手機，試著回想你有多久沒有好好閱讀一本書了呢？尤其是正處求學階段的青少年們，陪伴你們成長、讓你們獲得知識的絕對不僅僅是那台電腦或那支手機，更多的是一本本放在書架上等著你去挖掘、去探索的知識寶庫。身為教育者最擔憂的莫過於看見莘莘學子們在 3C 世界裡不斷向下沉淪，每天緊盯著手上的螢幕，茶不思、飯不想，達到另一種「廢寢忘食」的境界，而學業，早就被拋諸於腦後了。這難道能不令人憂心忡忡嗎？要改善這個在校園裡已逐漸蔓延擴散的現象，必須從根本的基礎做起。首要的關鍵就是讓青少年重拾對閱讀的興趣，進而將閱讀視為一種生活態度，自然而然地在生活中養成閱讀的好習慣。「閱讀」是須要培養的。能夠引起閱讀動機，讓青少年主動伸手翻書是極為重要的第一步，然而要讓莘莘學子跨出艱難的這一步，書籍內容是否具有吸引力是相當關鍵的。當 i

然，能從閱讀中汲取知識、增廣見聞、豐富人生色彩，才是閱讀最大的樂趣與助益。在此，要鄭重向各位學子們推薦「青少年科普叢書」系列書籍，是專為中小學生打造的優良讀物，目前的出版品有《科學揭祕動物世界》、《探究物理》等套書。《科學揭祕動物世界》分為無脊椎類、海洋類、魚類、兩棲爬行類、鳥類、哺乳類等六冊，每冊皆有數十個主題，每個主題的篇幅精煉，並針對主題附上優美的照片，深刻讀者們的印象，讓讀者不僅能從文字認識動物，還可由照片看見動物之美。書中除了介紹生活中常見的動物之外，還要帶領大家認識稀有罕見甚至瀕臨滅絕的動物，讓我們能夠更加珍惜與愛護這片土地，好讓這些動物能無憂無慮地生存下去。此書最特別之處在於描寫了若干動物的小故事，為平凡的文字增添了生動有趣的色彩，也提升了對讀者的吸引力。《探究物理》分為挑戰萬有引力、遨遊電子王國、解譯聲波密碼、駕馭原子世界、探索太空奧祕等五冊，匯集多元的物理現象，藉由一則則小故事，介紹力學、電學、聲學、原子學及天文學等等的學科知識，其中也包含在全球廣為討論並飽受爭議的「核能」應用，使讀者懂得學思並重，思考物理學發展帶給人類的利弊得失，進而探究其未來趨勢，讓物理學為人類生活帶來更多更廣的助益。來吧！讓我們一同閱讀「青少年科普叢書」，揭開科學的神祕面紗，探索其中的奧妙，一定能讓你感受閱讀的樂趣，並且獲益良多。

王惠亮

王惠亮現職：國立高雄師範大學生物科技系教授兼副校長經歷：國立高雄師範大學生物科技系系主任、總務長、教務長學歷：美國康乃爾大學博士專長：分子生物、遺傳工程、生物農藥

推薦序

近代以來，科學發展迅速，民眾的工作與生活都講求迅速和效率，智慧型手機和電子產品充斥於生活之中，學生的學習受到很大影響，較常閱讀短文或短句，結果只能從事短句的寫作，導致「閱讀」這件事已被邊緣化。先進國家組成的 OECD 組織，大力提倡閱讀，發展 PISA 的測驗，我國也看見這等危機，參加測驗，並在學校教學提倡閱讀的教學與評量。科學的學習需要講求方法，動手做的學習、POE 的教學等不勝枚舉，然而，很多人卻忘了「知識」才是提升素養與學習的根本。知識靠閱讀，《探究物理》期望對中學生的閱讀作出貢獻，在內容的編排上，講究幾項特色：（一）科學史的內容，對科學演化歷程的理解即是對科學素養的提升，本叢書以科學史的邏輯引導學生有效閱讀科學，內容則延伸到最尖端的知識，大到宇宙的深處，小到原子或電子的運動，深入淺出地以「專題」的型態呈現，充實學生與科學對話的根本。（二）故事解說，美國解說之父 Tilden 曾提出生態解說的六大原則，故事解說是重要的原則之一，本叢書以科學故事的編排作為主軸，呼應善用學生喜歡聽故事的特質，有效提升中學生的科學知識。（三）閱讀的興趣，不論是科學教育學家或生態解說員，都同意提升學生的學習興趣，是學習的重要工作，本叢書把內容和標題趣味化，例如尋找系外行星的標題是「尋找太陽的表兄弟」，不但有效解說科學內容，更能促進學 iii

習的興趣，讓專業的知識不再艱深，藉以面對中小學生的學習特質。本叢書運用專題形式、科學史的故事以及趣味化的寫作，能夠有效吸引中學生對閱讀的喜好，進而提升中學生的科學素養，是一套值得推薦給中學生閱讀的好書。

蘇明俊

蘇明俊現職：樹德科技大學休閒與觀光管理系助理教授高雄市天文學會理事長經歷：國立高雄師範大學物理系兼任助理教授高雄市立左營高中、三民國中物理教師兼主任學歷：國立高雄師範大學科學教育理學博士專長：物理學、地球科學、科學教育 iv

前言

現代物理學是現代科學革命和現代技術革命的先驅。它推動了現代化學、天文學、地學和生物學，及新能源、新材料、資訊、生物、空間、海洋等技術的進步，對社會經濟和資訊時代的到來、人們的生活方式和國家的綜合實力，乃至世界格局都產生了巨大影響，其思想和方法也大大改變了人們的思想觀念和思維方式。為了滿足青少年對學習科學知識、掌握最新技術的強烈願望，按照教育部提出的素質教育的基本要求，我們組織專家學者精心編撰了一套適合中小學生閱讀、適合物理教。叢書共五冊，分別師作為教學參考的叢書─《探究物理》是《挑戰萬有引力》、《遨遊電子王國》、《解譯聲波密碼》、《駕馭原子世界》和《探索天空奧祕》。其中《挑戰萬有引力》，講述經典力學、熱力學和流體力學中許多耐人尋味的有趣現象和奇聞軼事，詳解第一、第二、第三宇宙速度，以及太空人駕馭太空船克服地球引力飛出了地球；《遨遊電子王國》簡述電子學、電磁學和光學的基本知《解譯聲波密碼》不識，介紹了它們在各自領域的獨特作用；僅講述了鮮為人知又趣味橫生的聲波故事，而且詳解了人類聽不見、看不見的超聲波、次聲波，以及它們對生產生活所產生的巨大作用；《駕馭原子世界》客觀評價了桀驁不馴的原子輻射給人類帶來的危害以及成功地駕馭原子讓它造福於人類，重點介紹了核武器的相關知識；《探索太空奧祕》揭示了宇宙間星雲、恆星、行星、小行星、彗星和月球的神祕身世，介紹了太空船、太空梭、太空實驗室、軌道站和國際太空站，以及中國航太事業在國際上的顯要地位。 v

本叢書彙集了物理學最前沿的知識，透過五百多則妙趣橫生的小故事和四百多幅生動有趣的插圖，深入淺出點出了力學、電學、光學、聲學、原子物理學、天體物理學、環境物理學等學門的重點與精髓。既為青少年讀者細細梳理了現代物理學的發展脈絡，重點詮釋了從經典物理學到現代物理學的完美嬗變，同時也展現了物理學未來發展的光明前景，是青少年學習和瞭解最新科技知識的良師益友。書中提出的一些懸而未決的疑難問題，必將激發出青少年探索物理奧妙的熱情與濃厚興趣，從而樹立攀登科學高峰的雄心壯志。

目次 v

Contents

前言

核輻射

核應用

002 聖喬治核慘案

050 馴服天火

004 拿破崙死於砷中毒

053 機智的偵查員

007 核動力衛星墜落投下的陰影

056 「火眼金睛」

010 到處都有放射性

059 一鳴驚人

013 一個有放射性的人

062 世界上最貴重的金屬─鉲

016 吸菸對人體的危害超過核輻射

065 轟開原子世界的大砲

019 慎防地下服務場所的放射性污染

068 反質子與反物質

022 電離輻射

074 粒子加速器的應用前景

025 宇宙射線來自何方

077 大偵探離子

028 放射性射線

080 鑽地穿海顯神通

031 放射性污染

083 用快中子治療癌症

034 太空放射性塵埃危及衛星 037 燒不掉的放射性物質

086 粒子加速器和質子刀在醫學上的應用

040 核意外的等級標準

089 核醫學的新花─放射免疫分析

043 幸子與輻射病

092 從核磁共振診斷腦瘤說起

046 鈽的用途及其危害

095 為人類造福的核電池

071 捕捉到膠子了

098 倫琴和Ｘ射線

核電廠

101 神探艾克斯

144 地球上的太陽─核融合

104 原子射線殺蟲滅菌

147 原子核反應爐的「化石」

107 應運而生的核輻射電子學

150 費米與第一座原子反應爐

110 測定時間的尺度

153 原子鍋爐

113 準確的原子鐘

157 衛星上的原子核電廠

116 原子能與農業現代化

161 浮動核電廠

119 神奇的北極光

164 核動力是福還是禍

122 奇異的原子態氫

167 核電依然受青睞

125 同步輻射新光源

170 核電廠也「退休」

128 放射性同位素溫差放電

173 怵目驚心的核事故

131 方興未艾的輻照食品

176 車諾比核電廠爆炸

134 輻射育種結碩果

179 核外洩及其影響

137 輻射加工的應用

182 核工業的糧食─鈾

140 根治害蟲的「核武器」

185 從海水中提取鈾 188 化險為夷 191 天葬核廢料

核武器 196 拉賽福「畫」的原子模型 199 為了紀念家鄉的命名 202 價值千金的重水 204 原子彈之父─奧本海默 207 美國原子彈姓「歐」 210 第一顆原子彈引發的爭議

213 「小男孩」摧毀一座城市

255 拉響核攻擊的警報

216 隨原子彈一起投下的信

258 地下核試驗

219 紙片測出原子彈能量

261 火山爆發、地震與核爆炸

222 前蘇聯研製原子彈的內幕

264 核爆炸後的放射性落下灰

225 中國第一顆原子彈爆炸

267 美國核訛詐的破產

228 尋找丟失的氫彈 231 中國第一顆實戰氫彈

270 核彈又伸出一隻魔爪─核電脈衝

234 氫彈戰颱風

273 導彈的勁敵─粒子束武器

237 核武器的孿生兄弟

276 中子彈

240 最早擁有核武器的國家

279 從羊皮囊潛艇到核潛艇

243 第三代核武器

283 中國核潛艇的研製歷程

246 核彈及其污染

286 從「列寧」號破冰船到「彼得大帝」號巡洋艦

249 諾貝爾物理學獎獲得者魯比亞 252 恐怖分子瞄準核武庫

289 核動力艦船 292 高科技打擊走私

聖喬治核慘案

1945 年，美國猶他州乾燥而荒涼的聖喬治沙漠。一家影片公司正在拍攝傳奇故事片《征服者》的外景。主角成吉思汗由美國著名影星約翰．韋恩飾演。演員和攝製人員共有 220 名。他們在聖喬治沙漠裡辛辛苦苦地忙了整整 2 個月，然後回廠進行內景攝製。為了使內景更加逼真，導演命令劇務人員把沙漠上的黃沙裝上幾卡車運回攝影棚。《征服者》在美國上映以後獲得了人們的好評。遺憾的是，攝製組的演員和工作人員一個接一個地病倒了。經過醫生檢查，竟有 91 人同時患上了癌症。不久，46 人被病魔奪走了生命，大明星韋恩和製片夫婦也未能倖免……這就是轟動一時的聖喬治慘案。為了查明這些人的病因，美國政府組織了專門的調查委員會，派出專家到外景地拍攝現場取樣分析。他們驚訝地發現，那裡的放射性劑量竟比遭受原子彈轟炸過的廣島和長崎駕馭原子世界

還要高！可是，聖喬治沙漠中的放射性物質又是從哪裡來的呢？原來，在離聖喬治沙漠 200 公里的內華達州的沙漠中，有一個美國軍方的核子試驗場，這裡曾爆炸過 11 枚原子彈。放射性污染物質隨風飄到聖喬治，使這裡成了可怕的區域。放射

性微粒的主要污染物是

原子彈爆炸（圖片來源：http://goo.gl/u4L4Eq）

鍶 -90 和銫 -137。它們是核爆炸後所生成的物質，具有很強的放射性，猶如殺人不眨眼的「劊子手」。鍶 -90 被人吸收後，能長久地「住」在人體的骨骼裡，在那裡不斷地放射殺傷力很強的射線，破壞附近的組織，造成骨癌和白血病。銫 -137 一旦進入人體，便在肌肉中「安家」，肆無忌憚地放出射線損害人的肌體，引起嚴重的疾病。必須引起人們警惕的是，由於現代工業的發展，人類生活的環境正受到嚴重的污染。僅就鍶 -90 和銫 -137 兩種同位素來說，數十年前，在人們體內還找不到它們的蹤跡，但現在可不同了，科學家發現，在人體和一些動物體中，這兩個兇惡的「殺手」已經成為「常客」，其含量都已能用儀器檢測出來。只是它們的量尚未達到危險的程度而已。現在人們對放射性污染的問題越來越重視。放射性污染物主要來自拋棄和排放的放射性廢料、核爆炸試驗產生的放射性散落物，以及核動力船艦和原子能反應爐事故。對這些污染源，人們已採取了嚴格的防範措施。希望類似聖喬治慘案的事件再也不要發生。

鍶和鋂鍶，銀白色軟金屬。達到熔點（769°C）即燃燒，火焰呈紅色。化學性質活潑，與鈣相似。用於製造合金、光電管

聖喬治核慘案

和菸火。質量數為 90 的鍶（鍶 -90）是鈾 -235 的衰變產物，半衰期為 28.1 年。可作 β 射線放射源。鋂，銀白色金屬。具有放射性。化學性質活潑。為人工獲得的放射性元素（1944 年）。壽命最長的同位素鋂 -243，半衰期為 7.37×103 年。另一同位素鋂 -241，半衰期為 433 年，是同位素測厚儀和同位素 X 射線螢光光譜儀等的常用放射源。鋂與鈹的化合物可用作中子源。

拿破崙死於砷中毒

在歐洲近代史上叱吒風雲的法國資產階級政治家和軍事家、法蘭西第一帝國的百日王朝皇帝拿破崙，在滑鐵盧戰役失敗後，被流放到南大西洋的聖赫勒拿島，於 1821 年 5 月 5 日去世，終年 52 歲。史籍記載拿破崙死於胃癌。 134 年後，一位瑞典醫生在閱讀一本由當年看守拿破崙的人撰寫的回憶錄後，對一個多世紀裡幾乎沒有人懷疑的拿破崙的死因產生了疑問。回憶錄說，拿破崙死前曾患嚴重的脫毛病，除頭髮外，全身汗毛都掉光了。與此同時，他雙腳水腫、露出齒根、心跳過快、胃痛，還經常腹瀉。這位醫生根據這些症狀，斷定拿破崙不是死於胃癌，而是死於砷中毒。科學家為了證實這一點，利用中子對拿破崙屍體上的一根頭髮進行放射性分析，得知拿破崙頭髮中的砷含量比正常人高出幾十倍，他確實死於砷中毒。中子，由英國物理學家查兌克於駕馭原子世界

1932 年發現。中子是一種基本粒子，在地球上，除氫以外，所有的原子核裡都有中子存在。前面提到的中子放射性分析是一種先進的分析方法。它不僅靈敏度高、分析速度快，而且能夠分析化學性質十分相近的元素或同一元素的不同同位素。在工農業生產、軍事、醫療衛生、環境保護、地質勘探、天體

化學、考古學以及法學等方面，都大

拿破崙肖像（圖片來源： http://goo.gl/l0PYKj）

有用武之地。例如，在美國新生嬰兒中，常見一種「纖維化囊性病」（其症狀是胰腺、肺、小腸及男性生殖器有缺陷，死亡率較高），要進行早期診斷，可以剪下幾毫克新生嬰兒的指甲，用中子進行分析。如果含鈉量較高，則表明患有此病，應及時治療。又如，許多重要的軍用設備內部常裝有自毀炸藥。當繳獲到敵人的軍用器械時，如果不知道炸藥的準確部位，拆卸時就會招來傷身之禍。要探明其中情況，可靠的方法就是中子照相。一根頭髮竟有如此特殊的意義，使得科學家們對於毛髮的研究越來越重視了。現已知一個正常人大約有 2 萬多根頭髮，每根頭髮粗約 0.05 公釐，每天可長出 0.4 公釐左右（約相當於 1 萬個細胞）。精密的分析證明，頭髮中含有幾十種微量元素，和人體血液的成分較相似，因此它能準確反映出人體內部新陳代謝的狀況，是血液中各種微量成分及其含量水準的真實記錄。古代中醫稱頭髮為「血餘」，確實是非常恰當的。我們知道，血液中各種成分大致上都來自於外界環境以及在此環境中產生的食物，所以血液是所在環境的客觀反映。根據國內外大量的頭髮分析資料來看，頭髮的成分及含量確實與外界環境密切相關。例如城市居民頭髮的鉛含量就明顯高於農村居民；冶煉廠附近的居民或某些產砒霜地區的人群中，其頭髮的砷含量均明顯高於正常人。生活在海邊的漁民，其頭髮含汞量比內地人高出許多倍。中國科學工作者在調查克山病（一種地方性心臟病）病區時，發現病區環境普遍缺乏鉬和硒等微量元素，而且所有克山病病人頭髮中的鉬、硒含量也

拿破崙死於砷中毒

都是很低的。這些都說明頭髮中化學成分的含量不僅反映了天然環境的特徵，而且也能靈敏地指示出環境污染的嚴重程度。近年來國外已經把頭髮作為環境監測，以及研究環境與健康關係的一種特殊方式。 5

由於科學家們在毛髮的研究上不斷有新的發現，我們甚至可以預言：它很快將會發展成為一門獨立的新學科─毛髮診斷學。現在人們已可以根據頭髮中微量元素鉻的含量來診斷糖尿病和心血管疾病；從鎘、鉛的含量診斷高血壓和判斷是否能夠長壽，甚至可以透過綜合分析頭髮中 14 種微量元素的含量來判斷兒童的智力發育程度，而且其準確率高達 98% 。英國科學家還發現精神分裂症等 4 種精神異常，也和頭髮中的微量元素有一定關係。透過頭髮分析，還可斷定一個人是否吸過毒品，並能準確地指出他吸毒的具體時間。不過應當指出，無論是用毛髮監測環境污染，還是用頭髮診斷疾病，目前都還未達到完全讓人滿意的程度。其中一個主要的障礙就是人們至今尚不能肯定什麼是標準的「正常頭髮」，而且要確定這些標準是十分困難的。最近國際原子能機構正在從 13 個國家的專門實驗室搜集頭髮中 40 種元素的分析資料，試圖從中得出「正常頭髮」的新答案。很顯然，這條標準基線一旦被畫出，毛髮診斷就可能為人類作出奇蹟般的貢獻。

駕馭原子世界

中子中子是原子核的組成部分之一，不帶電，1932 年由英國物理學家查兌克首先發現。其質量為電子品質的 1,838.68 倍。單獨存在時不穩定，經過約 15.25 分鐘（平均壽命）後，就衰變為質子、電子和反中微子。