科学冷知识:超人的X光眼睛为什幺看不透铅?

2020-07-27    收藏704
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超人的X光眼睛为什幺看不透铅?

如果他努力去试,他就能看透。那只是他的创造人——杰瑞.席格(Jerry Siegel)与乔.沙斯特(Joe Shuster)(此二人是创作超人漫画的作者)告诉他,他除了铅之外都看得透。就像任何一位好漫画角色,超人忠实地服从他的创造人。   

席格与沙斯特的想法似乎认为X光不能穿透铅。否则(照理说),为什幺X光技师为你拍X光照片时要躲在衬了铅的墙壁后面?牙医师拍摄牙齿X光照片时为什幺要给你盖上铅围兜?   

铅确实在整个核研究与核技术界被用做辐射遮蔽材料。但真相是铅毫无特殊之处,它只是比其他材料能更省钱地达成任务。 

X光只是以光速越过空间的纯粹能量电磁辐射中的一种。在医师诊疗室外更为人熟知的其他种电磁辐射包括:光、烹饪食物的微波,还有携带所有节目到我们收音机与电视机的无线电波。   

这些能量波飞行时全都会上下左右振荡。事实上,它们的能量就是由这些振荡构成。当振荡频率愈高——每秒钟振荡次数愈多——意味着辐射的能量愈高。   

电磁辐射依照能量由低至高的顺序排列是:调幅广播、短波、电视与调频广播、雷达、微波、光(人眼可见与不可见都有)、X光与放射性物质放出的伽玛射线。   

因为X光具有的能量很高,你或许预期(就算你不知道)它是穿透力很强的辐射。它们像枪弹穿过果冻一般轻易地穿过肉体。骨骼则仅仅抵挡了部分X光而在感光底片上形成可供医师诊断的阴影。但不幸的是,X光与伽玛射线都是游离辐射,也就是说当它们穿透过肌肉、骨骼或者任何东西的原子时,它们会敲掉一些电子而形成阳离子(缺少几个电子的原子)。   

在不涉及细节的情况下打个比方,我们可以形容不具备一套完整电子的原子,就像在生命的化学游戏里胡乱发射的大砲。它们会以奇异而且有害健康的方式扰乱我们身体的化学作用。这也是为什幺我们要遮蔽自己,使自己免于X光以及例如来自放射性物质的其他游离辐射的照射。   

我们应该用什幺来阻挡X光?任何具有许多原子与许多电子可供撞击的东西都可以,因为X光每撞掉一个原子里的电子,它就损失一些能量。所以我们用愈多具有许多电子的原子拦在路上,X光会因愈快丧失所有的能量而停下来。但是老天!这些物质全都太昂贵了,何况谁想要躲在一道放射性铀的墙壁后面以逃避X光?   

所以唯一的重点是计算每一块钱能够买到每立方吋里面多少个电子。铅比任何其他材料更符合这个要求。每个铅原子有82个电子、密度是水的11.35倍,而且一美元大约可以买十磅铅(如果你想知道,每立方吋的铅有4×1025个电子,那就是4的后面加25个零)。   

但是不论一块铅板或者其他东西有多厚,总是会有一些X光穿透它。只不过铅板愈厚,穿透的X光愈少。理论上,任何厚度的材料都不能完全挡住一束X光。我们只能把它降到相对上无害的标準。

你当然可以使用比铅更便宜,但是效果较差的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光能力远不如铅,但是一堵厚厚的混凝土墙可以做到与较薄的铅板相同的功效。如果你有许多空间可用,你甚至可以使用最便宜的材料——水。每个水分子只有10个电子,但是如果在你与X光来源之间有够多的水,你仍然很安全。   

席格与沙斯特或许知道这一切,但是承认这回事就破坏了一个很棒的漫画点子。这样一来,漫画女主角才能够安心地相信衬了铅的上衣不会被超人看穿。   

但温文有礼的克拉克(超人的名字)学聪明之后,这招就不灵了。


为什幺拿黄瓜片敷脸会凉凉的?

为什幺黄瓜会「像黄瓜一样凉」(cool as cucumber,这句英文成语的原意是「冷静」)?我在一本烹饪书与一本杂誌上都读到:黄瓜永远比它们周围的环境凉20度。这是怎幺造成的?  

20度,嗯?那我们倒要瞧瞧(假设我们谈的是「华氏黄瓜」而不是「摄氏黄瓜」)。   

如果黄瓜永远比它们周围的环境凉20度,那幺,让我们把一条黄瓜放进装了许多黄瓜的桶子里,然后看看会发生什幺事。它们会不会大战一场?因为每一个都企图比自己身旁的黄瓜凉20度。你有没有看过一桶黄瓜突然没有明显的原因就自己冻结成硬块?   

或者,这个点子怎幺样:如果黄瓜永远比它们周围的环境凉20度,让我们用黄瓜造一个大箱子,而且把我们所有的葡萄酒都好好贮藏在里面。箱里面的温度或许是华氏55度。喔,才这样而已?那让我们再造一个比较小的黄瓜箱子而且放在第一个箱子里。这样或许会让温度再低个20度。于是我们可以在美好的华氏35度(约等于1.6度C)下存放啤酒。谢谢你,我们不需要冰块,因为再加一个箱子,我们就能降到比冰点低更多的温度,而且还可自製冰块。只要有够多的「箱子里的箱子」,我们就可以造出一个连地狱都能冻结的冰箱(西方人相信地狱奇热无比),而且还不必插上电源。  

不过,前述说法已经违反物理界最基本的定律——热力学第一定律,更普遍的名称是「能量守恆定律」。因为我们有一种必须不停向周围环境发散热能的物质——黄瓜肉。这是一个物体保持低温的唯一方法,亦即不断抛掉任何从邻近物体自然流进来的热能。因为热是能量,黄瓜肉就等于是取之不竭的能源,而且是免费的。不需要烧煤或石油,也不需要忍受核能问题。我们可以用黄瓜能发电、推动无污染汽车、灌溉沙漠以种植更多黄瓜!我们可以……   

我们唯一做不到的是使某些人不继续在书里面说些傻事。还有,那个完全捏造的20度当然是不可能的。自动冷却的黄瓜(或者自动冷却的任何其他东西)根本不存在。除非我们从其他地方供应或移走能量,否则甚至没有东西能够永久保持与环境稍稍不同(较冷或者较热)的温度。这也是为什幺厨房的电器必须插电;因为我们必须使用发电厂送来的电将热能抽到冰箱外面,还有将热能送进烤箱里。   

你说当你拿起还没放进冰箱的黄瓜并把它抵在额头时,它真的令你感觉沁凉。当然会这样。那是因为黄瓜比你华氏98度(约36.7度C)的皮肤凉,而不是因为它比华氏70度的房间凉。

除了空气流动与窗口射入阳光之类的变化外,房间里每一件物体温度都相同。除非你把屋里暖气的控温器定在华氏98.6度(人体的正常温度),否则物体与你的皮肤相比都是比较凉的。   

当任何两个物体接触时,热自然会从较高温的物体流到较低温的物体。所以当黄瓜(或者任何其他室温物体)吸走额头上的热量时,你就会因失热而感觉凉爽。   

从科学角度来说,当然没有「冷」这回事,只有不同程度的「热」。「凉」与「冷」这些字只是语言上的方便。「像黄瓜一样凉」同样只是方便的说法。它比你说「像大头菜一样凉」要有趣多了。

爱因斯坦究竟想说什幺? 我知道爱因斯坦E=mc2的方程式重要极了,而且它和原子弹有关係。但是它对于我们这些普通人又有什幺意义?  

坦白说,意义不大。但这不是说爱因期坦的方程式不是人类心智历来最灵光一闪、惊天动地的发现之一。虽然它和我们眼皮子下面每天发生的事有关,但也因为它们太微小而不容易引人注意。除非是用你提过的原子弹来引起我们注意,而且这保证是有史以来想要引人注意的最有效玩意儿。

这个举世最有名的方程式由爱因斯坦在1905年第一次写下,属于相对论里面的一小部分。除了其他许多的发现,爱因斯坦也发现质量与能量之间的密切关係(能量是使事情发生的能力,质量大致上就是一个物体的重量)。   

我们直觉上喜欢相信能量是能量,物体是物体,就这幺简单。但是爱因斯坦发现能量与质量在广义上其实是同一种玩意,是两个可以互换的东西。因为没有更好的名称,我们就称呼这个玩意儿为「质能」。爱因斯坦惊人简单的小方程式可以用来决定多少能量相当于多少质量,而且可以反方向计算(给没钻研过数学的人看——如果m代表某一数量的质量,而E代表相对应数量的能量,这个方程式说的就是,只要把m乘上用c2代表的某一个数字,就可以确定能量是多少。c2的数字会大到难以计算——它是光速的平方——所以你可以从很少的质量得到巨大数量的能量)。   

爱因斯坦的方程式与日常生活关係不大(除了某一个稍后会提到的例子)。原因是日常产生能量的活动,例如:食物的新陈代谢与燃烧煤、汽油等,都是纯粹的化学过程,而且在一切化学过程中转换成能量的质量小到微不足道。

相关书摘 ►科学冷知识:为什幺铁达尼号会沉,冰山却不会?

书籍介绍

《蟋蟀先生,今天气温几度?:爱因斯坦也不知道的109个科学谜题》,脸谱出版
.透过以上连结购书,《关键评论网》由此所得将全数捐赠儿福联盟。

作者:罗伯特.沃克
译者:高雄柏

你想过吗,为什幺肥皂能够分辨哪些是髒东西?不沾锅为什幺不沾?为什幺空气是透明的?水为什幺能灭火?为什幺鱼有腥味?拿黄瓜片敷脸为什幺会觉得凉凉的?你知道吗,炉火愈大并不会愈快把义大利麵煮熟?天然海盐所含的矿物质并没有比普通调味盐多,也没有比较营养?倒番茄酱居然要运用牛顿力学?还有晴天的白云和雨天的黑云跟水滴大小有关?

我们在日常生活中经常遇到许许多多「为什幺」,要不觉得事情本来就如此,习焉不察;要不认为它们属于科学範畴,裹足不前。本书作者以浅显又生动的说明,告诉我们这些「为什幺」后面其实都隐藏着科学的道理,而且用最趣味盎然的方式让这些「为什幺」都找到答案。于是我们恍然大悟:原来,科学也可以这幺简单、这幺有趣!

这不是一本严肃枯燥的科学教科书,也不是浅显的脑筋急转弯。本书兼具趣味、实用和科学知识,内容包括居家生活、厨房烹调、汽车、市售商品及太空等领域的谜题,提供日常生活的科学解答。

科学冷知识:超人的X光眼睛为什幺看不透铅?

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