＃發行日期：1990、3
＃期號：0243
＃專欄：科學新粹
＃標題：科學新粹
＃作者：翁寶山譯 郭中一 曹培熙譯 彭宗仁譯 潘國才譯 謝明勳譯 周大新譯
．圖一：早
竹內的實驗裝置
．圖二：左右旋造成的重量變化
．圖：掃描穿隧顯微鏡上，小到只有一個原子的針尖，和樣品上一個原子間，有電流流通。四條曲線中，最上方是一般材料中電流隨電壓變化的情形，底下三條則顯示具有窄能階的原子間之穿隧作用。
．圖：拿碳當骰子擲著玩：化學家現在能將碳磷合成許多種類似方塊結構的化合物。
科學新粹
翁寶山譯
目前靠工作人員在核能電廠或地下放射廢料堆，找尋放射性滲漏的工作，不久將可由機器人攜帶特殊的彩色照相機所取代。這種照相機係由美國密西根大學的研究人員所設計的，可在電視機的螢幕上，用彩色顯示輻射。這彩色的影像經轉送至電腦的監測器後，電廠的運轉人員可立即鑑別所滲漏放射性同位素的種類。
正如人類眼球的視網膜，可對於可見光的波長起反應，照相機係使用半導體材料，諸如氟化鋇或鍺，其可對於放射性同位素所發射γ輻射的波長起回應。因此，可鑑別從管路和其他組件所滲漏出放射性核種的種類，並認出電廠內的放射污染。
這種機器人和照相機，係由美國能源部資助而發展的。研究計畫主持人是密西根大學核子工程系韋懿（Wehe）教授。他宣稱，這個照相機是全世界唯一僅有的「真時」γ影像系統。
照相機的主體是用鉛製成的，快門是用鋁製成的，零件儘可能不用鋼製成。鉛和鋁可抵抗γ輻射的損害，並且不易變成放射性污染。因此，在照相機移出反應器廠房後不久，工作人員即可處理照相機。
照相機的設計是針對0.1∼2百萬電子伏的γ輻射，這是核反應器典型的γ輻射能量。有些核種，例如氮的某些核種，其發射的γ輻射能量很高，會穿透照相機而無法受到偵檢。
機器人主要是用於作例行的維護工作。控制照相機，則使用電腦，其軟體適合用於每一區域或設備所預期顯出的γ影像。一旦發現異常現象，會立即提醒並轉告運轉人員。機器人和照相機均由可充電的電池供應電力，並用無線電遙控。機器人行走的沿途均設有充電站，因此可連續運轉達數月之久，才需要和控制人員接觸。
當我們遇到來自鈷-60或鐵-59過量的輻射，我們便知道在管路內累積了活化的腐蝕產物。如遇到過量的銫-137，最好是停機檢查，因為這表示核燃料受損而發生滲漏。
這研究計畫幕後的動機是，防止工作人員進入放射污染環境。工作人員每次暴露於不算太高的輻射，單是防護衣物和複雜的紀錄，便要花費5,000美元。此外，要差派一個工作人員進入反應器，必先停機。每停機一天，損失可達百萬美元以上。
如果發生事故，機器人即可派上用場而進入高輻射區。在顯著的輻射外洩情況下，由於熱中子的照射，靈敏的半導體材料將受損。視輻射量的高低而定，這種照相機仍可運轉數小時至數天。這是極具價值的，尤其是用於嚴重事故，如發生於蘇聯的車諾比電廠。
美國能源部發展這種照相機的著眼點是，配合機器人作反應器的維護和檢查的工作。但也可應用於核燃料再處理廠及放射廢料處置場，故其用途至為廣泛。這種照相機可裝設於放射廢料處置場的大門，以偵測裝載廢料的輻射量，宛如用於飛機場的金屬偵檢器。
如果大量生產，在1990年代的價格，機器人每具約在50,000∼100,000美元之間。
（譯自New Scientist, 7 October, 1989.）
郭中一
1989年十二月，日本東北（Tohoku）大學的早
（Hideo Kayasaka）及竹內（Sakae Takeuchi），發表了他們所得到的一個奇怪的實驗結果，如果他們是對的，物理可能因之改寫。
他們發現，如果放置一陀螺儀，令其旋轉軸垂直地表，則其右旋時，重量會減輕，且減輕的量與旋轉速率成正比；左旋時，重量卻全無變化。此中所說的左右旋，指的是自上往下看陀螺儀。
旋轉會造成重量減輕並不希罕，廣義相對論中，當一自由、帶有自旋的粒子通過旋轉的重力場源時，粒子本身的慣性坐標系會被拖帶造成自旋，所以依粒子自旋與重力場源自旋方向的異同，粒子的重量可增可減。
但是奇特之處在於，前述效應所造成重量變化的比例甚微，但在早-竹內實驗中所觀測到的差值比例，約為萬分之一，與前述理論的預期，約有百萬倍的差距。
尤其奇特之處，在於左右旋的不對稱。如果左右對稱的話，左旋造成重量減輕，右旋就該加重才是（前述及其他可想到的重力理論中，與粒子自旋相關項都是線性項）。這是目前所知的任何理論都無法解釋之處。
早與竹內文中，對各種可能有的偏差，如磁場和陀螺的動力學特性、空氣的流體性質、磨擦等，都做了詳盡的探討，避去了可能的誤差。
目前物理界對此實驗的看法，首先是懷疑。因為沒有任何理論預測有此效應，且與物理直覺牴觸。但是檢驗論文本身，卻是頗為細緻小心，無法發現任何錯誤，最終的決定，還要更多仔細的實驗加以重複檢證才行。
（附誌：作者感謝吳思曄先生提供資料及討論。）
（圖取自Physical Review Letters, 63(25), 18 December, 1989,早與竹內原論文）
曹培熙譯
根據美國IBM公司華生研究中心（Watson Research Center
，位於紐約州）的研究，電子器件的尺寸，可以縮小到原子級的規模。該中心的柳因煥（In-Whan Lyo之音譯）和阿福利斯（P. Avouris），製成了一個新的電子元件，叫做「兩原子間的穿隧二極體」，其中一個原子在掃描穿隧顯微儀的探針尖端，另一個則在矽的表面（見附圖上部的示意圖）。在這以前，實驗室裡製成的器件裡，最少含有以百萬計的原子，而積體電路商品中的電晶體，更包含以十億計的原子。
一般材料中，通過的電流隨所加的電壓俱增。柳、阿二人實驗所測出的，則是電壓一直遞增時，電流先增大，後來卻降低，最後又升高。將電流隨電壓變化的情形畫成函數圖時，就會出現附圖裡有峰有谷的形狀。由谷轉變成峰的那段曲線斜率是負的。這種曲線是穿隧二極體的特徵，
而負值斜率所代表的現象，稱為「負值微分電阻」（譯註）。這現象是一些電子器件能作快速開關的原因。柳、阿二人測得的電流數量級約為十億分之一安培，不會因為受到隨時存在的量子雜訊干擾，而影響量度結果。
穿隧二極體是江崎泠於奈（Leo Esaki）在1957年發明的。平常的穿隧二極體和雙原子二極體，都是利用電子穿過位障這一量子效應的產品。一般穿隧二極體中的位障，是半導體器件內的一個薄層；雙原子二極體中，位障與兩原子的能態有關。
孤立原子中的電子能量值很明確，雙原子二極體裡的電流，是這種電子在兩原子間流動所造成的。一般均勻固體中，電子能量值不是這麼明確，而是分布在一個範圍內，所以這些電子不會形成上述特別的電流。這種物質中，只有在特殊狀態下的原子，才能使電子能量分布範圍相當窄
。所謂特殊狀態，包括固體表面的雜質或晶體缺陷附近的原子，因為這種原子受到來自同一物體上其他部分物質的影響少得多，而近似於孤立的原子。掃描穿隧顯微儀探針尖端的原子就屬這種狀態，所以它的能態和孤立原子的相同，具有很窄的能階，而非固體那樣的寬能階。
為了使矽材料中的原子成為近似孤立原子的狀態，柳、阿二人把硼摻入矽材料中。當探針尖端接近矽上面的一些點時，才能測得負值的微分電阻，這種點的範圍大約是十億分之一公尺，它們也就是由硼原子造成窄能階的地方。不同點上測得的電流、電壓關係曲線並不相同，這表示不
同位置的原子處於不同的狀態。用鎢做的顯微儀探針尖端上有矽雜質，它似乎也使針尖原子能階變窄，而促進穿隧作用。
在未來一段短期間內，柳、阿二人建立的技術不大可能有實際應用，因為掃描穿隧顯微儀又大又複雜，而且二極體效應只發生於表面上的少數原子。此外，原子移動時，顯微儀針尖的構造和組成也會改變，而影響二極體效應。不過，這個實驗確實展現未來做成原子規模器件極有可能，至少理論上是可行的。
（譯自New Scientist, 14 October, 1989.）
彭宗仁譯
分析從西藏高原冰河所鑽取的冰層岩心（ice core），發現現今該區的氣候比從前所謂「全新世最大值」（Holocene maximum）時期（6,000∼8,000年前之間）以來任何時期，都更為溫暖。同樣的，中國大陸的中部地區，最近五十年來的氣溫也比過去50∼100年前，高了整整1℃。這項結果的意義非常重要，因為經由電腦模擬的推演，顯示中亞地區很可能是，首先由發生溫室效應（greenhouse effect）引起全球溫度上升的地區。
湯普森（Thompson）及其在俄亥俄州立大學的工作同仁，和中國科學院及哥本哈根大學的學者們，共同研究已經有一段時日（Science, 246：474）。他們從位於戈壁沙漠南端、高度很高的西藏高原上的大冰帽（ice cap）中，鑽取冰層岩心，這些岩心內的有關資料可往回推至最近一次的冰河期內，其年代可能超過十萬年。經由下列二種研究方法，可以獲得岩心內有關過去氣候的紀錄：一、分析岩心內不同層位的塵土含量的變化；二、測量岩心中冰分子裡氧同位素的比例（18O/16O）。
冰層中含塵量的多寡，決定於塵土落下當時氣候的乾燥程度。經由氧同位素的研究，可直接測知當時的平均溫度；因為從海水蒸發的水凝結成冰雪而落下，此冰雪內二種主要的氧同位素間的相對含量，與當初的水之氧同位素間的相對含量有所不同。而此氧同位素間的比值主要與溫度有關，當氣溫越低時，冰中的18O/16O的比值越低。
經由以上二種方法的研究，湯普森和他的工作同仁指出，在最近一次冰期的最後幾個階段，當時的氣候比現在冷、潮濕且含塵土量較多。這個結果符合了早先的推測，該推測基於一個想法，就是在冰河時期，北半球擴大的冰帽周圍，吹襲著較強烈的風。
在這個最新的研究中，最主要的發現是：最近六十年的氣溫不低於岩心內任何其他時期的氣溫，其中最高值出現在1940、1950和1980年代。漢森（J. Hansen）和美國航空太空總署的同事，最近執行一項電腦模擬實驗，此實驗結果顯示，亞洲大陸的中心地區，很可能是溫室效應下引起全球氣候變暖，最先發生的幾個地區之一（Journal of Geophy
sical Research, 39：9341）。
（譯自New Scientist, 25 November, 1989.）
潘國才譯
美國巴爾的摩太空望遠鏡研究所（Space Telescope Science
Institute），最近完成一幅有史以來最大的天體目錄，記載
18,819,291個星空中發光亮點的位置和亮度。其中包含1,500萬顆星球，其餘大部分是星系。這個數目為從前最大天體目錄的60倍之多。這個名為「導星表」（Guide Star Catalogue）的目的，是供操作1990年升空的赫柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）用的。此外，導星表也使科學家在尋找像褐矮星（browndwarf，一種昏暗的低質量星球）
這類不常見的星體時，節省不少時間。由於星表中的天體可以當作參考坐標，可以使天文學家迅速找到新發現星體的位置。
這個星表是利用巴洛馬山上史密特式望遠鏡，及設在澳洲的英國史密特式望遠鏡，在1970年代後期，經由八年連續拍攝1477張星空底片整理而成。到目前為止，僅收錄到15等星（較肉眼所能觀察低的4000倍的光度）。而光碟片中則儲存到21等星的資料（比前面的星等還暗250倍）。
科學家打算利用這些資料搜尋發出無線電波、紅外線和Ｘ光的來源是那個天體。尤其是1990年美國航空太空總署與西德打算共同發射的羅沙特衛星（Rosat）將會發現許多Ｘ光源。
同時天文學家也想利用這些資料，來研究光度會變化的天體如變光似星體（variable quasars）及矮新星（dwarf novae）等。由於將近三分之二的天空，會出現在兩張不同時間拍的底片上，比較這些底片，如果同一天體有不同亮度，就會很容易被發現。
但這份星表有一項缺點：它沒有天體移動的資料。由於天體的緩慢移動，這星表中天體的位置會慢慢變得不正確。科學家估計當赫柏太空望遠鏡發射五年後，星表中10％的天體位置已經移動過遠，而無法用來導引太空望
遠鏡。太空望遠鏡研究所的科學家目前正積極研究1950年代巴洛馬出版的星空底片，希望能藉由比較新舊兩次拍得位置的不同，來計算出天體移動的速度，以便將來能把天體移動資料也納入「導星表」中，就可修正其移動，而隨時得知星體的正確位置了。
（節譯自New Scientist, 7 October, 1989.）
謝明勳譯
植物生理學家正設法幫助發展中國家的農民，改善貧瘠土壤的生產量，他們尋找一些可以進行固氮作用，或是能在缺乏水分及養分的環境中生長的植物。
如果能使作物具固氮能力，對那些沒有能力購買肥料以改善作物產量的人而言，將有莫大的助益。全世界的科學家與農民，長久以來都明白植物的重要，但是直到最近，研究人員才開始研究同種作物不同品種間的固氮差異。
1960年代，維也納一個研究中心的科學家與聯合國食品暨農業組織（FAO）及國際原子能公司合作，發展出可以鑑別最佳固氮植物的方法。研究人員去年首度利用這種方法，測定一些能生長在貧瘠乾旱地區樹木的固氮能力。
直到現在為止，有關固氮作用的研究仍局限在豆科植物。拉丁美洲研究人員對於扁豆（haricot bean）的29種品種進行固氮作用的研究，發現29種品種的固氮能力各有不同，從每公頃25∼165公斤不等。這項研究結果可以幫助農民了解，扁豆的那一個品種具有較高的固氮效率。
類似的研究同樣對歐洲的農民有所幫助。歐洲農民能負擔肥料的費用，所以他們從來不必考慮，那一品種的大豆、苜蓿或豌豆可能具有最佳的固氮效率。然而由於肥料的濫用，從土壤滲漏到地下水中造成的污染，卻帶來了一些問題。尤其是英國東部的農民發現，如果遵守歐洲委員會的規定，則作物產量無法帶來什麼經濟利益；然而，如果他們能好好地利用既存於土壤中的氮肥以及空氣中的氮，則農作物的產量將可帶來一些利益。
在維也納，農產研究中心主任包恩（G. Bowen），已將研究範圍擴展到有關樹木的固氮作用上。聯合國FAO的報告指出，撒哈拉沙漠附近的44個國家中，有35個國家的人口增加率超過他們的農業增加率。50個非洲國家中，已有40個國家曾報導他們的土壤已愈來愈貧瘠、愈腐蝕，而且愈來愈乾燥。世界銀行估計，大約有5,500萬的非洲人正面臨燃料木材短缺的危機。包恩相信相思樹、木麻黃和銀合歡等樹種有足夠的生命力，能抵抗上述惡劣環境，可解決這些非洲人所面臨的危機。
許多植物（例如豆科植物）各有不同的固氮能力。產於非洲布吉那法索（Burkina Faso）的相思樹，它的固氮能力幾乎是產於衣索匹亞同種相思樹的4倍。而當生物技術學家將一種菌根菌──弗蘭克氏菌（Frankia）接種到非豆科植物木麻黃（Casuarina）時，它的固氮能力比平時增加了40倍以上。不同品種的根瘤菌（Rhizobium）和弗蘭克氏菌，它們的固氮效率也各不相同。
研究人員同時發現植物的固氮效率會受修剪（prunning）影響，不同種的植物各有其適當的修剪時機。以玉米而言，如果將修剪下來的部分翻埋入土壤中，不任意丟棄，將可獲得更大的產量。
精確測定固氮效率的唯一方法，就是利用非放射性的同位素氮-15來做標記。我們可以準備兩盆植物，其中一盆種植不具固氮能力的植物，另一盆種植具有固氮能力的植物，然後將含有氮-15標記的肥料分別加入兩盆植物的土壤中。經過一段時間後，將植株磨碎，測定物組織中所含的氮-15量，不具固氮能力植物的組織中所含的氮-15量，將遠比另一株具有固氮能力的多得多。因為不具固氮能力的植物，所有的氮肥都來自土壤中含有氮-15標記的肥料；而具有固氮能力的植物，卻可以從空氣中獲得氮肥，所以組織內氮-15的含量就遠比不具固氮能力的植物來得少。藉由這種實驗計算不同種植物所含氮-15量的多寡，將可以算出：
植物藉著固氮作用將空氣中的氮固定下來所占的比例。
研究人員正利用類似方法研究各種不同作物，對於鹽分、磷酸鹽以及水的吸收能力有什麼不同，就是希望能找到具有耐鹽、抗旱及耐缺磷的植物種。
1960年代的綠色革命，產生了一些具有高產量的小麥和水稻品種。科學家認為，與其稱這些植物為「高產量」（high-yielding）的品種，倒不如稱為「高回應」（high-responding）的品種來得恰當，因為這些作物只有在
農夫施以大量的肥料時，才會有較高的產量。維也納研究人員做的一些研究，目的無非是想儘量利用自然界中所存在的一些遺傳變異罷了。
（譯自New Scientist, 26 August, 1989.）
周大新譯
最近西德及英國的化學家，合成了一系列的碳磷化合物。它們具有特異的結構，使目前的化學理論難以合理的解釋。
德國凱斯勞德大學（University of Kaiserslautern）瑞吉斯（M. Regitz）的實驗小組，成功製備了一個形狀像骰子的碳磷化合物，他所命名為磷方烷（phosphacubane）。這化合物含有四個碳與四個磷原子，交互排列在一個立方體的八個角上。合成的方法是把三級丁烷基磷化乙炔（t-butylphosphaalkyne），在130℃下加熱65小時。
同時在海德堡大學的蔡耐克（U. Zenneck）的研究小組，也合成了類似的另外四種化合物。其中的一種含有六個磷及五個碳原子，其結看起來像是個有把手的立方體（見圖）。
這兩種立體結構的純碳衍生物倒是已知的，叫做異五稜烷及立方烷（homopentaprismane及cubane），分別在1976及1964年由化學家合成，當時被視為化學合成上的兩大突破性進展。
含磷的化合物不但比僅含碳的化合物容易合成，而且展現出碳化物前所未見的特性。譬如說磷方烷的結構並非完美的正立方體，其上碳原子的鍵角呈94度，比標準的直角略為膨脹。
蔡瑞克同時也製備含有五個磷及五個碳的分子。這個分子有一部分形成三角形排列，使磷原子的鍵角小於50度。在這種情況下電子間的距離甚短，已違反了目前化學鍵結理論所能解釋的規範。
英國沙塞克斯大學（University of Sussex）尼克森（J.
Nixon）實驗室，也合成同樣特異的化合物，它含有六個磷和四個碳原子。其結構像一個立方體，在兩個邊上各插入另一個原子。還有另一種化學結構，含有五個磷及五個碳，像一個立方體被切去了一個角（見圖）。
這些所有怪異化合物，都是由三級丁烷基磷化乙炔加熱產製的。以前都認為這個化合物本身是不能存在的，因為它的結構中含有一根磷與碳相連的三鍵（碳原子上同時接有一個三級丁烷基）。以前的化學理論認為，三鍵只能存在於碳、氮與氧之間，碳與磷之間是不可能生成三鍵的。
一方面因為碳與磷的原子軌域並不吻合；另方面磷的特性使它很不容易取代碳原有的位置，而不使化合物的整個結構變形。
（譯自New Scientist, 25 November, 1989.）
譯註：一般電阻是電壓與電流的比值，即造成一單位電位所需的電壓。微分電阻是造成一單位電流變化，所需的電壓變化，即附圖曲線斜率的倒數。一般材料中，通過的電流隨所加的電壓俱增。穿隧二極體上的電壓提高時，電流先跟著增大，後來卻降下來，最後又升上去。因此，把它的電流隨電壓變化的數據，用函數圖表示時，會看到峰和谷。柳、阿二人的實驗中，就測得這種現象。
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