科學新粹


1980年12月132期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1980、12 ＃期號：0132 ＃專欄：科學新粹＃標題：科學新粹＃作者：本刊編輯室．利用化學反應的冷暖氣系統．低溫液體中不穩定化合物的光譜．鳥類遷徙問題的新進展．新粒子η_c ．雷電每年打擊地球多少次？．令人擔憂的地下水污染．心臟病患者的福音．狗鼻子為什麼是冰冷的？．昆蟲的費洛蒙煙號．圖：利用甲醇、氧化鈣反應的熱幫浦．圖：至今，心臟定調器仍是醫院中最常用來使心臟停止的病患恢復正常跳動的裝置。		科學新粹利用化學反應的冷暖氣系統最近麻州牛頓鎮的EIC實驗室正在發展一種化學熱幫浦系統。此一系統用太陽能，可在冬天提供室內暖氣，在夏天提供冷氣，而且終年提供熱水。在美國能源部合同下發展的此一系統，是基於甲醇蒸氣和無水氯化鈣反應形成固態甲醇溶合物（CaCl₂．2CH₃OH）。據其主要發展者歐芬哈玆（P. Offenhartz）說，此系統的特性是具有儲存高品質能源的能力，用同樣一套裝置就能提供暖氣和冷調。雖然此一EIC熱幫浦的原理和其他目前使用或發展中的化學熱幫浦原理相似，它還是有幾項創新，主要在於它的冷凍劑（甲醇）及吸附介質（氯化鈣）。此系統是由裝置於屋頂上的商用空管式收集器收集太陽能而發動。太陽光束將太陽能收集器中的熱媒加熱到130℃或更高，熱媒進入一發生器，其內裝有一氯化鈣甲醇溶合物顆粒反應床，熱媒經由迴流銅管將熱傳給此複合甲醇。甲醇蒸氣被熱至120～130℃，流入一氣冷式凝結器，將部分的熱傳給空氣。此甲醇蒸氣再冷卻到40～50℃，凝結成液體。另一方面，空氣被加熱到40～50℃，可用於冬天暖房。在夏天，此一熱空氣可被排出室外，不需用到冷卻塔，即使夏天室外溫度達到35℃，空氣仍可用來凝結甲醇蒸氣。凝結的甲醇從凝結器流入蒸發器，在此甲醇從熱空氣中吸取熱量而蒸發，此一蒸發冷卻了熱空氣，而提供一般的冷調效應。因這蒸發器可以在－15℃以上任何溫度運行，所以它甚至可以從冬天冷空氣中吸取熱量。其次，低溫甲醇蒸氣進入吸收器，在此甲醇和一個乾的氯化鈣反應床反應，再形成甲醇溶合物。此一程序也放出有用的熱能（約40～50℃），可供暖房或家用熱水，要不就排放到室外。當氯化鈣幾乎完全轉變成甲醇溶合物時，這循環系統又可重新開始。實際上，發生器和吸收器是兩個不同的反應床。他們的作用定期交互替換，如同奧芬哈玆解釋：「其實質上祇是將熱媒導入適當的反應床。」連接蒸發器及吸收器的管線上有一個可隨意開關的蒸氣閥，吸收器中的氯化鈣對甲醇蒸氣有基於熱力學的親和性，所以當閥關閉時，此一系統實際上等於停止；因為沒有甲醇可被吸收，即沒有蒸發的原動力。而當閥打開時，無水氯化鈣鹽開始大量吸收甲醇蒸氣，蒸氣壓降低，使得蒸發開始。氯化鈣反應床代表儲存的能源，因為當它吸收甲醇時，它就會放出熱能，此吸收程序又帶動蒸發器的甲醇蒸發，產生冷卻作用。由於此一儲存容量，白天收集的太陽能可用於夜晚。 EIC系統的功能係數可大致定義為所獲得的熱能除以進入系統的熱能，在加熱時是1.5～1.6，冷卻是0.5～0.6。這些數值與一般化學熱幫浦功能係數相近，而加熱效率顯然比媒氣爐或蒸氣爐要好。氯化鈣／甲醇反應系統只是許多可能用於化學熱幫浦的化學系統之一。目前世界各地在研究中的反應系統，包括無機鹽／水、無機鹽／氨、硫酸／水、氨／水，以及金屬氫化物／氫。甲醇作為冷卻劑比起水和氨有幾個優點，最重要的是雖然甲醇和水的化學活性相似，但其較低的凝固點可容許此系統用於加熱，也用於冷卻。在奧芬哈玆等科學家們檢視許多可能的無機鹽之後，EIC實驗室決定選擇氯化鈣／甲醇系統。選擇氯化鈣是因為它價格不昂，可大量供應，可和二分子的甲醇反應，而甲醇溶合物形成及分解的溫度合乎熱幫浦的需求。 EIC系統的設計適於溫暖氣候例如華府地區使用。這一帶暖房及冷調都很重要，且當需暖房時，溫度一般在－5℃以上。對一般的房子來說，EIC的科學家估計，在一個250平方呎的太陽能收集器接上他們的化學熱幫浦系統，可以提供約90～95°％的空調需要，減少冬天暖房用燃料80％，而且可以減少70％的家庭熱水用燃料。 EIC科學家現在即將完成一台有100,000 BTU容量的工程試驗性化學熱幫浦（一般家庭用熱幫浦需有200,000～400,000 BTU的容量）。從此一試驗性幫浦，科學家們發現在一百次循環後，幫浦性能有小的退化。他們認為是發生器內熱交換器裡因應力引起的鹽類遷移之緣故。他們目前正設法解決此一問題。奧芬哈玆說，下一步他們要建一個工程評價用熱幫浦，接上家庭用太陽能收集器，並實地試用。（陳超群、劉履禮合譯自C&EN, Oct 20, 1980）低溫液體中不穩定化合物的光譜英國諾丁安（Nottingham）的化學家已經在-79℃下，量得了溶於液態氙（Xe）中的不穩定化合物的紅外光譜。常用的凍結氙，其結晶組織常使研究中的分子變形，如今用液態氙則可避免這種危險。許多化學物質極不穩定，以致不能於室溫下存在。像二氮五羰基化鉻〔CrN₂(CO)₅〕，通常就把它在極低溫下陷入凍結鈍氣（像氙）的間架（matrix）中研究。可見光或紅外光輻射穿過間架時，研究員即可記錄該化合物的可見光譜或紅外光譜，而推論其化學結構。不幸的是，固定在固態間架中的分子常會因周圍晶格的影響而有些微變形，以致所得的光譜不如溶液光譜來得可靠。不過，現在諾丁安大學唐納（J. J. Turner）的光譜研究小組已獲得了重要的進展──他們已成功地在-79℃下取得了CrN₂(CO)₅在液態氙中的紅外光譜。選液態氙為溶劑是一大考驗。就像所有的超低溫液體一樣，它自然比穩定的固態間架難於處理；而且，很多分子無法溶於液態氙中。但是它極易為紅外光輻射穿透，化學家可以利用13毫米（mm）長的輻射路程。以前用溶液測紅外光譜時，輻射路程一超過0.25毫米，光就無法透過了。）而用液態氙，分光計可以「看」穿此種厚度的溶液，自動記錄出完善的光譜（儘管溶液中只含5ppm的溶質）。使用此溶劑的另一好處是只須在適當的試劑中攪動，即可使反應發生。在此情況下，CrN₂(CO)₅可由直接的氮固定法在原位置（in situ）製出。六羰基化鉻〔Cr(CO)₆〕和氮氣溶於氙中，以紫外光照射此溶液使其反應；經由變化中的紅外光譜，即可測知反應狀況。如此所得的CrN₂(CO)₅的溶液光譜和間架研究的結果只有少許差異，因此可以斷定此分子在溶液中的結構並未和在間架中者相差太多。不過，光譜中倒是含有一新譜帶，可能來自Cr(N₂)₂(CO)₄──這是以前未看到的化合物。液態氙確實使這些氮固定的反應容易多了，鉬和鎳的氮複合物也可以製出，在這極惰性的溶劑中可能還有很多新的化學等著科學家去發掘呢！（參見JCS Chemical Communications, p 587, 1980）鳥類遷徙問題的新進展動物行為學家長期研究，已了解了鳥類遷徙的定向機制，原來鳥類是利用地球的磁場來校正飛行方向。現在，科學家們轉向另一個同等重要的大問題進行研究：鳥類遷徙時，怎麼知道要遷到何處去？怎麼知道何時該遷徙？目前發現這個問題似乎與鳥類體內的生理週期有相當密切的關係。而且這種以一年為週期的生理變化，似乎在沒有外界溫度、光照和太陽、星星的位置等等變化的情形下也在進行。法蘭克福大學的溫納（E. Gwinner）和威爾玆柯（W. Wiltschko）拿具有遷徙本能的歐洲鶯鳥作實驗。這些小鳥自小便由人工養殖，絕不讓牠們接觸外界，牠們不知有日夜之分，也不知有季節變化，而且避免讓牠們接觸到人為的磁場。在12個月的觀察期間，小鳥在特殊的鳥籠中還是一再地記錄到遷徙行為的特徵：不眠不休的遷徙衝動和特定方向的強烈偏好衝動。溫納和威爾玆柯發現春秋兩季，小鳥有增加體重的現象（遷徙的必要能源）和特定方向的強烈偏好衝動。這種情形和野外的小鳥在春秋兩季所表現的行為相同：秋天就向南飛，春天就向北飛。溫納和威爾玆柯將外界的影響因素排除了，因此這種遷徙衝動只和小鳥的內在因素有關。他們把這個問題的範圍縮小了，值得再進一步研究。也許內在的生理年週期變化，也可以解釋秋天時英國人越過英吉利海峽大量南移的現象。說不定人類也和鳥類一樣有季節性的遷徙衝動，只是我們沒有注意到罷了。因此，進一步研究這種遷徙行為，將來也許能揭露不少人類自身的秘密。（參見Behavioural Ecology and Sociobiology, Vol 7, p 73）新粒子η_c 史丹福線型加速器中心（SLAC）最近的一篇研究報告引起了一陣騷動。他們宣布經過長期的等候，終於發現了新粒子η_c（讀eta c）。η_c粒子是個參與強交互作用的介子，由魅夸克及其反夸克組成，因而是有名的J/ψ粒子的親戚。J/ ψ粒子於1974年的發現，首度證實了魅夸克存在。這兩粒子的差異在於J/ ψ粒子裡兩夸克的自旋數相加，總自旋為1（單住為，是量子力學裡角動量的單位），而總質能為3.1GeV（GeV是十億電子伏特的簡稱。質子的質能即約為1 GeV）；但η_c粒子裡兩夸克的自旋卻是反向而相互抵消，是個沒有自旋量的粒子，並且質能略小。兩粒子質能的差異，表示夸克的不同組態有不同的能量，因而使我們能考驗一下，已往對夸克間力的認識是否上路。所謂「魅偶」（charmonium）即魅夸克-反夸克對，它在不同的自旋和軌道角動量組態的能量可以從理論推算出來，正好像氫原子能階一樣，可由電子與質子的電磁交互作用推算出來。「魅偶」理論預測，η_c粒子的質能約為3.0GeV。1977年，在靠近漢堡的DESY實驗室，有一群研究人員曾在2.8GeV的能階附近發現疑似η_c的狀態，但因數值不符而令人感到疑惑。所以要確證η_c存在，還得再做實驗。產生η_c的反應有兩段過程：第一，一個電子和一個正電子毀滅（annihilate）成一個光子，而該光子負載的質能恰可轉換成J/ ψ粒子；第二，J/ ψ粒子將衰變成一個光子和η_c粒子──η_c本身將再衰變為其他已知的介子（見圖）。欲找出η_c就必須觀測第二階段反應裡光子放出的能量，如果測到某一光子能量的次數比所有其他可能的情況要多，則該光子可當作衰變的信號，而其能量即是J/ ψ和η_c兩粒子間的質能差。不幸地，這個實驗不好做，因為質能差太小，難以測到所產生的光子。【瀏覽原件】電子（e^-）和正電子（e⁺）毀滅成光子（γ），光子再轉換成J/ ψ介子，J/ψ再放出一個光子而轉換成η_c粒子，η_c可再衰變成K介子和π介子。 SLAC的物理學家於是造了一座球狀偵測器，環繞著線型加速器末端電子-正電子貯環的一個撞擊點來偵測η_c粒子。此「晶球」偵測器列有672個碘化鈉晶體，每個長40公分，垂直置於內徑25公分的球面上。每個晶體的外圍末尾均為光電倍增管監視著，此光電管可測出碰撞產物所貯於晶體內的能量。「晶球」的功能是盡可能涵蓋各種的碰撞角度，並且精確地量出射出的粒子的能量，尤其是光子。「晶球」的第一個成果就是反駁了前述DESY所聲稱發現的討厭的2.8GeV能態；第二個成就則是發現了相當於有2.98GeV能量的η_c粒子存在的理想中的光子能量，和「魅偶」理論的預測極為合。當知道質能後，再研究η_c的衰變產物（兩個K介子和一個π介子是一種衰變模式），於是發現衰變產物的總能量即等於η_c的質能，因而證實η_c粒子存在。此一發現再度保證物理學家，他們對難以捉摸的夸克之間的力的了解，是走對了路的。（參見Physical Review Letters, Vol 45, p 1146 & 1150）雷電每年打擊地球多少次？在過去二十年中，美國大約共有六千人遭到「天雷打」，其中2/3的人逃過了此一劫難而活著。這些閃電雖然威力很大，然而並不一定會致人於死。還有人甚至不止一次遭到「天雷打」而仍舊能夠康復。這些由於大氣放電而產生的巨大火花，是經常發生的。氣象資料告訴我們，任一瞬間，整個地球幾乎有二千次雷電同時在進行之中。在一次典型的雷電裡，每分鐘閃電會打擊地面1～3次。把所有地球上各處在進行的雷電都算在內，每秒鐘幾乎有一百次從雲層到地面的閃電在發生。爪哇是世界上雷電最多的地方之一，每年平均有223次。（李政猷譯自Science Digest Special-Winter 1979）令人擔憂的地下水污染目前美國環境學家關心的各類污染損害中，最令他們關切的卻是許多美國人可能認為安全而不會被污染的地下水。這些水貯存在地表下數呎到半哩處，或更深處透水的砂礫岩石中──也就是含水層之間。在美國，地下水資源是地表、河川全年流量的五倍。雖然一般人相信大部分地下水還是純淨的，但也越來越令人憂慮了。因為在自然界各種無法更新的資源中，地下水是數量最大的。地下水與地表或空中的水不同的是，地下水受到化學污染後，就不可能淨化了。地下水不能像地表水一樣，暴露在自然的淨化系統中循環淨化。例如：地底下沒有陽光，不能將地下水蒸發，藉此把鹽分、礦物以及化學物質除去。也不能靠地下水在地底的流動而自我淨化，因為地下水事實上很少流動。據美國環境保護署負責水及垃圾處理的副署長貝克說：「在人一生中，地下水只會移動一哩而已。如果被污染了，這些污物可維持幾十年而不分解。」以前地下水所以能保持純淨，是因為地表土壤可以當作過濾系統。這是地質的腎臟，在地上或地裡的細菌和不可溶污物滲入地下水面（地下水上一層的區域）之前，把細菌和不可溶污物擋住。但是化學廢物從四面八方滲入土裡，這個過濾系統就無法確實濾掉了。這些來源包括灑過殺蟲劑的農田及傾倒液體化學品的水池一類的工業垃圾堆，這是為了使液體化學品的水分蒸發掉，但卻把化學物質留下來了。【瀏覽原件】美國環境保護署已在全美找出181,000個這種水池，都是在工廠或都市的垃圾場裡。環境保護署研究了其中的8,200個以後，發現其中的72％只是地上的一個坑洞而已，並沒有敷設水泥或其他東西阻絕，以防止化學物質滲入地下。這些沒有襯護的水池裡，其中700個在汲取地下水的水井方圓一哩之內。含菌的各種垃圾中，例如全美約1600萬座家用污水槽和化糞池排出的污水，可以很容易從飲用水中過濾掉。但是化學污物就不是那麼一回事了。據環境保護署署長科斯特表示：「我們甚至還不能確定地下水中的化學物質能否除掉，更別提如何淨化了。光是檢驗地下水是否有化學物質，就要作很精密的測試，別說要除去化學物質。」迄今，美國已證實的地下水污染最嚴重地區是東北諸州，污染的原因主要是在地上傾倒工業廢物。還有加州也很嚴重，那是農化物質造成的。不過曉得地下水有問題還是很新的觀念，因此環境保護署的官員還不曉得地下水污染的情形有多嚴重。科斯特說：「我們還不敢確定，美國的飲用水有多少（實際上或可能）已經被污染了。」（劉道明取材自Time, Sep. 22, 1980）心臟病患者的福音十年前，美國的心臟專家曾公開表示，麥若斯基大夫（Dr. M. Mirowski）的想法是瘋狂而不可能的。麥若斯基是馬里蘭州巴爾帝摩一家小醫院的心臟專家，他打算設計一種可以嵌入體內即時防止心臟停止的裝置。現在，他已經在「新英格蘭醫學雜誌」上發表一篇報告，證實他的反對者是錯的。大概沒有人比這六個麥若斯基新裝置的受惠者更高興了。他們隨時有因心臟停止而突然死亡的危險，因為他們的心臟已陷入不規則跳動的狀況，吃藥也沒有用。這種新裝置似乎極有希望來防止因不正常的心臟跳動而導自的突發死亡。這種裝置是個袋狀的方形物，重255克，上覆一層鈦，可由胸部下方的皮膚插入，而以電導線與心臟連結。外形上看來很像標準的心臟定調器（pacemaker），可是它的性能卻是180°的相反（這是根據一位參與此裝置研究達十年的英國心臟專家的說法）。心臟定調器可以在心臟跳動太慢或不規律的狀況下，提供患者連續的脈波。而這種新裝置則和醫院中適用於病人體外的較大型裝置原理相同。它可以產生一個電擊，使心臟暫時停止跳動。這通常即足以使失去控制的心臟恢復正常跳動。嵌入式的裝置辨認出可能致命的心臟節奏後，可在20秒內傳出一個衝擊。美國的心臟專家馬隆（B. Maron）描述這裝置的歷史為「一個無名小卒發明的實用的醫療裝置」。他說：「八年前，麥若斯基曾因期刊上的文章批評他的概念無益而感到沮喪。而現在附在他報告旁的評論，則稱此發明對心臟病患者的治療而言，可能是一重要的貢獻。」現為約翰‧霍金斯大學醫學系副教授的麥若斯基表示，他並不是唯一提出這種構想的人。不過，他倒是唯一不顧反對意見，自費從事這研究的人。由於他是來自波蘭的移民，因此他認為反對意見也許是基因於他並未在美國接受醫學訓練。批評者認為把原來重40磅（約合18,000克）的裝置縮小，在小盒中就具有監聽心臟的功能是不可能的。麥若斯基說：「沒有人對這裝置感興趣，因此我們知道獎助組織也不會感興趣。」部分反對意見可能來自美國兩種特殊的狀況。電壓的大小一直是爭論的中心：一些美國大夫覺得須使用遠大於大部分人（包括大部分的英國心臟專家）贊成的電壓，才能產生足夠的電擊來校正患者心臟的不規則跳動（麥若斯基的裝置可傳送25焦耳，以舊式外用者的標準而言是適度的）。另外，兩篇來自英國指責是否需要使用昂貴的裝置來治療心臟病的論文，也在美國引起爭議。這兩篇論文指出，接受此裝置治療的病患並不見得比待在家中者生存的機會大。而麥若斯基發明的新裝置，若推出的話，售價約2000英磅，可能會加強此論戰。（參見New England J. of Medicine, Aug. 7, p 322, 1980）狗鼻子為什麼是冰冷的？狗鼻子為什麼是冰冷的呢？加州大學河濱分校的生理學教授貝克爾（M. A. Baker）說，這是因為狗冰冷的鼻子是牠腦部一個良好的空氣調節系統。它是一種特別「設計的」熱交換器，這位專家表示，狗血經過鼻部的冷卻之後，抵達腦部組織時會下降2～3℉。狗經過一陣激烈的運動之後，會使體內溫度高達107℉，但腦部的溫度一定得保持冷卻，否則狗就會變得頭昏眼花，或是腦部會受到永久性的，甚至致命的傷害。貝克爾博士說，狗的急喘似乎並不是使牠腦部保持冷卻的主要方法，實際上鼻子的冷卻作用更為重要。狗鼻子總蒸發面是狗舌的二十倍，因為有精巧摺疊起來的鼻骨，其中血管極多。從狗鼻輸送而至、溫度較低的血液集中於一處，包圍著通向狗腦的多條動脈。為了增進血液的冷卻效果，狗會分泌使牠鼻子保持潤濕的黏液。狗喘氣時，橫流過牠鼻部的空氣會比平常快三十倍，如此使流入鼻部的血液增加。以人類來說，臉部的汗使臉部的血液變冷，然後聚於腦底，因而使得通入人腦的動脈獲得冷卻的效果。（李政猷譯自Omni, Aug.1980）昆蟲的費洛蒙煙號紐約康乃爾大學的康納（W. Conner）等人認為，雌蛾放出性吸引物質（費洛蒙）時，就像是發出煙號（smoke signal﹐印第安人常用）一般。他們發現一種在美國常見的雌蛾（Utetheisa ornatrix）不僅是被動地排出費洛蒙，而是有規律地一短段一短段地射出來。康納等人還計算出每秒1.5短段的速率，就足以使雄蛾在鄰近的範圍內，尋出個別雌蛾的位置。這新發現可能為一直困擾著動物行為學家的難題提供了線索。許多種飛蟲的雌蟲把費洛蒙排入空中，然後這些化合物就順風飄浮。附近的雄蟲偵查出這種化合物後，就往氣味濃的地方飛去，找尋雌蟲。但是其中有二蹊蹺之處。當雄蟲追尋嗅跡前進時，可能會因此化學物質的連續存在而變得不敏感。雄蟲也可能會被許多同時放出信號的雌蟲搞混了。雄蟲是如何正確地找出個別的雌蟲呢？現在，雌蟲信息的煙號模式可能幫助雄蟲來克服這兩個難題。（參見Behavioural Ecology and Sociobiology, Vol 7, p 55）
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1980年12月132期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1980、12 ＃期號：0132 ＃專欄：科學新粹＃標題：科學新粹＃作者：本刊編輯室．利用化學反應的冷暖氣系統．低溫液體中不穩定化合物的光譜．鳥類遷徙問題的新進展．新粒子η_c ．雷電每年打擊地球多少次？．令人擔憂的地下水污染．心臟病患者的福音．狗鼻子為什麼是冰冷的？．昆蟲的費洛蒙煙號．圖：利用甲醇、氧化鈣反應的熱幫浦．圖：至今，心臟定調器仍是醫院中最常用來使心臟停止的病患恢復正常跳動的裝置。		科學新粹利用化學反應的冷暖氣系統最近麻州牛頓鎮的EIC實驗室正在發展一種化學熱幫浦系統。此一系統用太陽能，可在冬天提供室內暖氣，在夏天提供冷氣，而且終年提供熱水。在美國能源部合同下發展的此一系統，是基於甲醇蒸氣和無水氯化鈣反應形成固態甲醇溶合物（CaCl₂．2CH₃OH）。據其主要發展者歐芬哈玆（P. Offenhartz）說，此系統的特性是具有儲存高品質能源的能力，用同樣一套裝置就能提供暖氣和冷調。雖然此一EIC熱幫浦的原理和其他目前使用或發展中的化學熱幫浦原理相似，它還是有幾項創新，主要在於它的冷凍劑（甲醇）及吸附介質（氯化鈣）。此系統是由裝置於屋頂上的商用空管式收集器收集太陽能而發動。太陽光束將太陽能收集器中的熱媒加熱到130℃或更高，熱媒進入一發生器，其內裝有一氯化鈣甲醇溶合物顆粒反應床，熱媒經由迴流銅管將熱傳給此複合甲醇。甲醇蒸氣被熱至120～130℃，流入一氣冷式凝結器，將部分的熱傳給空氣。此甲醇蒸氣再冷卻到40～50℃，凝結成液體。另一方面，空氣被加熱到40～50℃，可用於冬天暖房。在夏天，此一熱空氣可被排出室外，不需用到冷卻塔，即使夏天室外溫度達到35℃，空氣仍可用來凝結甲醇蒸氣。凝結的甲醇從凝結器流入蒸發器，在此甲醇從熱空氣中吸取熱量而蒸發，此一蒸發冷卻了熱空氣，而提供一般的冷調效應。因這蒸發器可以在－15℃以上任何溫度運行，所以它甚至可以從冬天冷空氣中吸取熱量。其次，低溫甲醇蒸氣進入吸收器，在此甲醇和一個乾的氯化鈣反應床反應，再形成甲醇溶合物。此一程序也放出有用的熱能（約40～50℃），可供暖房或家用熱水，要不就排放到室外。當氯化鈣幾乎完全轉變成甲醇溶合物時，這循環系統又可重新開始。實際上，發生器和吸收器是兩個不同的反應床。他們的作用定期交互替換，如同奧芬哈玆解釋：「其實質上祇是將熱媒導入適當的反應床。」連接蒸發器及吸收器的管線上有一個可隨意開關的蒸氣閥，吸收器中的氯化鈣對甲醇蒸氣有基於熱力學的親和性，所以當閥關閉時，此一系統實際上等於停止；因為沒有甲醇可被吸收，即沒有蒸發的原動力。而當閥打開時，無水氯化鈣鹽開始大量吸收甲醇蒸氣，蒸氣壓降低，使得蒸發開始。氯化鈣反應床代表儲存的能源，因為當它吸收甲醇時，它就會放出熱能，此吸收程序又帶動蒸發器的甲醇蒸發，產生冷卻作用。由於此一儲存容量，白天收集的太陽能可用於夜晚。 EIC系統的功能係數可大致定義為所獲得的熱能除以進入系統的熱能，在加熱時是1.5～1.6，冷卻是0.5～0.6。這些數值與一般化學熱幫浦功能係數相近，而加熱效率顯然比媒氣爐或蒸氣爐要好。氯化鈣／甲醇反應系統只是許多可能用於化學熱幫浦的化學系統之一。目前世界各地在研究中的反應系統，包括無機鹽／水、無機鹽／氨、硫酸／水、氨／水，以及金屬氫化物／氫。甲醇作為冷卻劑比起水和氨有幾個優點，最重要的是雖然甲醇和水的化學活性相似，但其較低的凝固點可容許此系統用於加熱，也用於冷卻。在奧芬哈玆等科學家們檢視許多可能的無機鹽之後，EIC實驗室決定選擇氯化鈣／甲醇系統。選擇氯化鈣是因為它價格不昂，可大量供應，可和二分子的甲醇反應，而甲醇溶合物形成及分解的溫度合乎熱幫浦的需求。 EIC系統的設計適於溫暖氣候例如華府地區使用。這一帶暖房及冷調都很重要，且當需暖房時，溫度一般在－5℃以上。對一般的房子來說，EIC的科學家估計，在一個250平方呎的太陽能收集器接上他們的化學熱幫浦系統，可以提供約90～95°％的空調需要，減少冬天暖房用燃料80％，而且可以減少70％的家庭熱水用燃料。 EIC科學家現在即將完成一台有100,000 BTU容量的工程試驗性化學熱幫浦（一般家庭用熱幫浦需有200,000～400,000 BTU的容量）。從此一試驗性幫浦，科學家們發現在一百次循環後，幫浦性能有小的退化。他們認為是發生器內熱交換器裡因應力引起的鹽類遷移之緣故。他們目前正設法解決此一問題。奧芬哈玆說，下一步他們要建一個工程評價用熱幫浦，接上家庭用太陽能收集器，並實地試用。（陳超群、劉履禮合譯自C&EN, Oct 20, 1980）低溫液體中不穩定化合物的光譜英國諾丁安（Nottingham）的化學家已經在-79℃下，量得了溶於液態氙（Xe）中的不穩定化合物的紅外光譜。常用的凍結氙，其結晶組織常使研究中的分子變形，如今用液態氙則可避免這種危險。許多化學物質極不穩定，以致不能於室溫下存在。像二氮五羰基化鉻〔CrN₂(CO)₅〕，通常就把它在極低溫下陷入凍結鈍氣（像氙）的間架（matrix）中研究。可見光或紅外光輻射穿過間架時，研究員即可記錄該化合物的可見光譜或紅外光譜，而推論其化學結構。不幸的是，固定在固態間架中的分子常會因周圍晶格的影響而有些微變形，以致所得的光譜不如溶液光譜來得可靠。不過，現在諾丁安大學唐納（J. J. Turner）的光譜研究小組已獲得了重要的進展──他們已成功地在-79℃下取得了CrN₂(CO)₅在液態氙中的紅外光譜。選液態氙為溶劑是一大考驗。就像所有的超低溫液體一樣，它自然比穩定的固態間架難於處理；而且，很多分子無法溶於液態氙中。但是它極易為紅外光輻射穿透，化學家可以利用13毫米（mm）長的輻射路程。以前用溶液測紅外光譜時，輻射路程一超過0.25毫米，光就無法透過了。）而用液態氙，分光計可以「看」穿此種厚度的溶液，自動記錄出完善的光譜（儘管溶液中只含5ppm的溶質）。使用此溶劑的另一好處是只須在適當的試劑中攪動，即可使反應發生。在此情況下，CrN₂(CO)₅可由直接的氮固定法在原位置（in situ）製出。六羰基化鉻〔Cr(CO)₆〕和氮氣溶於氙中，以紫外光照射此溶液使其反應；經由變化中的紅外光譜，即可測知反應狀況。如此所得的CrN₂(CO)₅的溶液光譜和間架研究的結果只有少許差異，因此可以斷定此分子在溶液中的結構並未和在間架中者相差太多。不過，光譜中倒是含有一新譜帶，可能來自Cr(N₂)₂(CO)₄──這是以前未看到的化合物。液態氙確實使這些氮固定的反應容易多了，鉬和鎳的氮複合物也可以製出，在這極惰性的溶劑中可能還有很多新的化學等著科學家去發掘呢！（參見JCS Chemical Communications, p 587, 1980）鳥類遷徙問題的新進展動物行為學家長期研究，已了解了鳥類遷徙的定向機制，原來鳥類是利用地球的磁場來校正飛行方向。現在，科學家們轉向另一個同等重要的大問題進行研究：鳥類遷徙時，怎麼知道要遷到何處去？怎麼知道何時該遷徙？目前發現這個問題似乎與鳥類體內的生理週期有相當密切的關係。而且這種以一年為週期的生理變化，似乎在沒有外界溫度、光照和太陽、星星的位置等等變化的情形下也在進行。法蘭克福大學的溫納（E. Gwinner）和威爾玆柯（W. Wiltschko）拿具有遷徙本能的歐洲鶯鳥作實驗。這些小鳥自小便由人工養殖，絕不讓牠們接觸外界，牠們不知有日夜之分，也不知有季節變化，而且避免讓牠們接觸到人為的磁場。在12個月的觀察期間，小鳥在特殊的鳥籠中還是一再地記錄到遷徙行為的特徵：不眠不休的遷徙衝動和特定方向的強烈偏好衝動。溫納和威爾玆柯發現春秋兩季，小鳥有增加體重的現象（遷徙的必要能源）和特定方向的強烈偏好衝動。這種情形和野外的小鳥在春秋兩季所表現的行為相同：秋天就向南飛，春天就向北飛。溫納和威爾玆柯將外界的影響因素排除了，因此這種遷徙衝動只和小鳥的內在因素有關。他們把這個問題的範圍縮小了，值得再進一步研究。也許內在的生理年週期變化，也可以解釋秋天時英國人越過英吉利海峽大量南移的現象。說不定人類也和鳥類一樣有季節性的遷徙衝動，只是我們沒有注意到罷了。因此，進一步研究這種遷徙行為，將來也許能揭露不少人類自身的秘密。（參見Behavioural Ecology and Sociobiology, Vol 7, p 73）新粒子η_c 史丹福線型加速器中心（SLAC）最近的一篇研究報告引起了一陣騷動。他們宣布經過長期的等候，終於發現了新粒子η_c（讀eta c）。η_c粒子是個參與強交互作用的介子，由魅夸克及其反夸克組成，因而是有名的J/ψ粒子的親戚。J/ ψ粒子於1974年的發現，首度證實了魅夸克存在。這兩粒子的差異在於J/ ψ粒子裡兩夸克的自旋數相加，總自旋為1（單住為，是量子力學裡角動量的單位），而總質能為3.1GeV（GeV是十億電子伏特的簡稱。質子的質能即約為1 GeV）；但η_c粒子裡兩夸克的自旋卻是反向而相互抵消，是個沒有自旋量的粒子，並且質能略小。兩粒子質能的差異，表示夸克的不同組態有不同的能量，因而使我們能考驗一下，已往對夸克間力的認識是否上路。所謂「魅偶」（charmonium）即魅夸克-反夸克對，它在不同的自旋和軌道角動量組態的能量可以從理論推算出來，正好像氫原子能階一樣，可由電子與質子的電磁交互作用推算出來。「魅偶」理論預測，η_c粒子的質能約為3.0GeV。1977年，在靠近漢堡的DESY實驗室，有一群研究人員曾在2.8GeV的能階附近發現疑似η_c的狀態，但因數值不符而令人感到疑惑。所以要確證η_c存在，還得再做實驗。產生η_c的反應有兩段過程：第一，一個電子和一個正電子毀滅（annihilate）成一個光子，而該光子負載的質能恰可轉換成J/ ψ粒子；第二，J/ ψ粒子將衰變成一個光子和η_c粒子──η_c本身將再衰變為其他已知的介子（見圖）。欲找出η_c就必須觀測第二階段反應裡光子放出的能量，如果測到某一光子能量的次數比所有其他可能的情況要多，則該光子可當作衰變的信號，而其能量即是J/ ψ和η_c兩粒子間的質能差。不幸地，這個實驗不好做，因為質能差太小，難以測到所產生的光子。【瀏覽原件】電子（e^-）和正電子（e⁺）毀滅成光子（γ），光子再轉換成J/ ψ介子，J/ψ再放出一個光子而轉換成η_c粒子，η_c可再衰變成K介子和π介子。 SLAC的物理學家於是造了一座球狀偵測器，環繞著線型加速器末端電子-正電子貯環的一個撞擊點來偵測η_c粒子。此「晶球」偵測器列有672個碘化鈉晶體，每個長40公分，垂直置於內徑25公分的球面上。每個晶體的外圍末尾均為光電倍增管監視著，此光電管可測出碰撞產物所貯於晶體內的能量。「晶球」的功能是盡可能涵蓋各種的碰撞角度，並且精確地量出射出的粒子的能量，尤其是光子。「晶球」的第一個成果就是反駁了前述DESY所聲稱發現的討厭的2.8GeV能態；第二個成就則是發現了相當於有2.98GeV能量的η_c粒子存在的理想中的光子能量，和「魅偶」理論的預測極為合。當知道質能後，再研究η_c的衰變產物（兩個K介子和一個π介子是一種衰變模式），於是發現衰變產物的總能量即等於η_c的質能，因而證實η_c粒子存在。此一發現再度保證物理學家，他們對難以捉摸的夸克之間的力的了解，是走對了路的。（參見Physical Review Letters, Vol 45, p 1146 & 1150）雷電每年打擊地球多少次？在過去二十年中，美國大約共有六千人遭到「天雷打」，其中2/3的人逃過了此一劫難而活著。這些閃電雖然威力很大，然而並不一定會致人於死。還有人甚至不止一次遭到「天雷打」而仍舊能夠康復。這些由於大氣放電而產生的巨大火花，是經常發生的。氣象資料告訴我們，任一瞬間，整個地球幾乎有二千次雷電同時在進行之中。在一次典型的雷電裡，每分鐘閃電會打擊地面1～3次。把所有地球上各處在進行的雷電都算在內，每秒鐘幾乎有一百次從雲層到地面的閃電在發生。爪哇是世界上雷電最多的地方之一，每年平均有223次。（李政猷譯自Science Digest Special-Winter 1979）令人擔憂的地下水污染目前美國環境學家關心的各類污染損害中，最令他們關切的卻是許多美國人可能認為安全而不會被污染的地下水。這些水貯存在地表下數呎到半哩處，或更深處透水的砂礫岩石中──也就是含水層之間。在美國，地下水資源是地表、河川全年流量的五倍。雖然一般人相信大部分地下水還是純淨的，但也越來越令人憂慮了。因為在自然界各種無法更新的資源中，地下水是數量最大的。地下水與地表或空中的水不同的是，地下水受到化學污染後，就不可能淨化了。地下水不能像地表水一樣，暴露在自然的淨化系統中循環淨化。例如：地底下沒有陽光，不能將地下水蒸發，藉此把鹽分、礦物以及化學物質除去。也不能靠地下水在地底的流動而自我淨化，因為地下水事實上很少流動。據美國環境保護署負責水及垃圾處理的副署長貝克說：「在人一生中，地下水只會移動一哩而已。如果被污染了，這些污物可維持幾十年而不分解。」以前地下水所以能保持純淨，是因為地表土壤可以當作過濾系統。這是地質的腎臟，在地上或地裡的細菌和不可溶污物滲入地下水面（地下水上一層的區域）之前，把細菌和不可溶污物擋住。但是化學廢物從四面八方滲入土裡，這個過濾系統就無法確實濾掉了。這些來源包括灑過殺蟲劑的農田及傾倒液體化學品的水池一類的工業垃圾堆，這是為了使液體化學品的水分蒸發掉，但卻把化學物質留下來了。【瀏覽原件】美國環境保護署已在全美找出181,000個這種水池，都是在工廠或都市的垃圾場裡。環境保護署研究了其中的8,200個以後，發現其中的72％只是地上的一個坑洞而已，並沒有敷設水泥或其他東西阻絕，以防止化學物質滲入地下。這些沒有襯護的水池裡，其中700個在汲取地下水的水井方圓一哩之內。含菌的各種垃圾中，例如全美約1600萬座家用污水槽和化糞池排出的污水，可以很容易從飲用水中過濾掉。但是化學污物就不是那麼一回事了。據環境保護署署長科斯特表示：「我們甚至還不能確定地下水中的化學物質能否除掉，更別提如何淨化了。光是檢驗地下水是否有化學物質，就要作很精密的測試，別說要除去化學物質。」迄今，美國已證實的地下水污染最嚴重地區是東北諸州，污染的原因主要是在地上傾倒工業廢物。還有加州也很嚴重，那是農化物質造成的。不過曉得地下水有問題還是很新的觀念，因此環境保護署的官員還不曉得地下水污染的情形有多嚴重。科斯特說：「我們還不敢確定，美國的飲用水有多少（實際上或可能）已經被污染了。」（劉道明取材自Time, Sep. 22, 1980）心臟病患者的福音十年前，美國的心臟專家曾公開表示，麥若斯基大夫（Dr. M. Mirowski）的想法是瘋狂而不可能的。麥若斯基是馬里蘭州巴爾帝摩一家小醫院的心臟專家，他打算設計一種可以嵌入體內即時防止心臟停止的裝置。現在，他已經在「新英格蘭醫學雜誌」上發表一篇報告，證實他的反對者是錯的。大概沒有人比這六個麥若斯基新裝置的受惠者更高興了。他們隨時有因心臟停止而突然死亡的危險，因為他們的心臟已陷入不規則跳動的狀況，吃藥也沒有用。這種新裝置似乎極有希望來防止因不正常的心臟跳動而導自的突發死亡。這種裝置是個袋狀的方形物，重255克，上覆一層鈦，可由胸部下方的皮膚插入，而以電導線與心臟連結。外形上看來很像標準的心臟定調器（pacemaker），可是它的性能卻是180°的相反（這是根據一位參與此裝置研究達十年的英國心臟專家的說法）。心臟定調器可以在心臟跳動太慢或不規律的狀況下，提供患者連續的脈波。而這種新裝置則和醫院中適用於病人體外的較大型裝置原理相同。它可以產生一個電擊，使心臟暫時停止跳動。這通常即足以使失去控制的心臟恢復正常跳動。嵌入式的裝置辨認出可能致命的心臟節奏後，可在20秒內傳出一個衝擊。美國的心臟專家馬隆（B. Maron）描述這裝置的歷史為「一個無名小卒發明的實用的醫療裝置」。他說：「八年前，麥若斯基曾因期刊上的文章批評他的概念無益而感到沮喪。而現在附在他報告旁的評論，則稱此發明對心臟病患者的治療而言，可能是一重要的貢獻。」現為約翰‧霍金斯大學醫學系副教授的麥若斯基表示，他並不是唯一提出這種構想的人。不過，他倒是唯一不顧反對意見，自費從事這研究的人。由於他是來自波蘭的移民，因此他認為反對意見也許是基因於他並未在美國接受醫學訓練。批評者認為把原來重40磅（約合18,000克）的裝置縮小，在小盒中就具有監聽心臟的功能是不可能的。麥若斯基說：「沒有人對這裝置感興趣，因此我們知道獎助組織也不會感興趣。」部分反對意見可能來自美國兩種特殊的狀況。電壓的大小一直是爭論的中心：一些美國大夫覺得須使用遠大於大部分人（包括大部分的英國心臟專家）贊成的電壓，才能產生足夠的電擊來校正患者心臟的不規則跳動（麥若斯基的裝置可傳送25焦耳，以舊式外用者的標準而言是適度的）。另外，兩篇來自英國指責是否需要使用昂貴的裝置來治療心臟病的論文，也在美國引起爭議。這兩篇論文指出，接受此裝置治療的病患並不見得比待在家中者生存的機會大。而麥若斯基發明的新裝置，若推出的話，售價約2000英磅，可能會加強此論戰。（參見New England J. of Medicine, Aug. 7, p 322, 1980）狗鼻子為什麼是冰冷的？狗鼻子為什麼是冰冷的呢？加州大學河濱分校的生理學教授貝克爾（M. A. Baker）說，這是因為狗冰冷的鼻子是牠腦部一個良好的空氣調節系統。它是一種特別「設計的」熱交換器，這位專家表示，狗血經過鼻部的冷卻之後，抵達腦部組織時會下降2～3℉。狗經過一陣激烈的運動之後，會使體內溫度高達107℉，但腦部的溫度一定得保持冷卻，否則狗就會變得頭昏眼花，或是腦部會受到永久性的，甚至致命的傷害。貝克爾博士說，狗的急喘似乎並不是使牠腦部保持冷卻的主要方法，實際上鼻子的冷卻作用更為重要。狗鼻子總蒸發面是狗舌的二十倍，因為有精巧摺疊起來的鼻骨，其中血管極多。從狗鼻輸送而至、溫度較低的血液集中於一處，包圍著通向狗腦的多條動脈。為了增進血液的冷卻效果，狗會分泌使牠鼻子保持潤濕的黏液。狗喘氣時，橫流過牠鼻部的空氣會比平常快三十倍，如此使流入鼻部的血液增加。以人類來說，臉部的汗使臉部的血液變冷，然後聚於腦底，因而使得通入人腦的動脈獲得冷卻的效果。（李政猷譯自Omni, Aug.1980）昆蟲的費洛蒙煙號紐約康乃爾大學的康納（W. Conner）等人認為，雌蛾放出性吸引物質（費洛蒙）時，就像是發出煙號（smoke signal﹐印第安人常用）一般。他們發現一種在美國常見的雌蛾（Utetheisa ornatrix）不僅是被動地排出費洛蒙，而是有規律地一短段一短段地射出來。康納等人還計算出每秒1.5短段的速率，就足以使雄蛾在鄰近的範圍內，尋出個別雌蛾的位置。這新發現可能為一直困擾著動物行為學家的難題提供了線索。許多種飛蟲的雌蟲把費洛蒙排入空中，然後這些化合物就順風飄浮。附近的雄蟲偵查出這種化合物後，就往氣味濃的地方飛去，找尋雌蟲。但是其中有二蹊蹺之處。當雄蟲追尋嗅跡前進時，可能會因此化學物質的連續存在而變得不敏感。雄蟲也可能會被許多同時放出信號的雌蟲搞混了。雄蟲是如何正確地找出個別的雌蟲呢？現在，雌蟲信息的煙號模式可能幫助雄蟲來克服這兩個難題。（參見Behavioural Ecology and Sociobiology, Vol 7, p 55）
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