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中華民國 102年 2月

Science Development 482NO.

誰是地球上最主要的角色，動物、植物或是礦物？首先想到的是動物，因為我們自己是動物；其次

想到的是植物，因為植物是有生命的，我們自己也是。動物和植物雖然把地球表面點綴得多采多姿、熱

熱鬧鬧，但所生存的範圍只在薄薄的一層中，總量與沒有生命的礦物比起來差得太多了。從溫度、壓力

適合生物繁衍的地球表面，到高溫、高壓生物不可能存在的深層地下，都是礦物的世界。

有的礦物是重要的工業原料，例如為量巨大的鐵礦、鋁礦，和蘊藏量不多但重要性甚高的稀土族氧

化物。另外有些稀有而亮麗的，使人視為珍寶。佛經裡常把玻璃列在「七寶」之中，因為在那個時代還

沒有發明燒製玻璃的方法，而天然產出的又很稀少。現在燒製玻璃已是很容易的事，雖然亮麗不減當年，

卻從珍寶的名單中剔除了。

各種金屬氧化物中，氧化鋁的熔點非常高，大約是攝氏 2,000 度，凝固後，純的叫剛玉，含有少量

不同雜質的就是紅寶石或藍寶石。古人無法使氧化鋁熔化，但現在已經不是很困難的事了。生產各種合

成寶石在技術上越來越容易，其價值自然也越來越低，雖然結晶構造與天然的完全相同，亮麗的程度也

沒有差別，但人們還是喜歡擁有稀有的天然品。如何鑑定，難免得消耗不少專家的心力。

物質在極限環境中，也就是在極高或極低的溫度、壓力之下，會表現意想不到的性質。目前，在核

融合能的實驗設備中，已可得到接近太陽溫度的高溫；在低溫物理實驗室中利用液態氦，已可達到接近

絕對零度的低溫；在粒子加速器和高真空蒸鍍設備中，已可獲得接近絕對真空的低壓，但欲使體積夠大

的空間達到極大的壓力，看來仍有困難。需要的是突破性的構想。

科學家已經看到在百餘億光年以外的太空中發生的事，卻無法看見自己腳下數千公里處的景象。那

是一個大自然賦予的極大壓力的實驗空間，在那裡如果有碳，就會以密度最大的鑽石的形式存在嗎？

原來磁鐵礦也可以藉由微生物—磁菌的作用而形成。這是除了生物體中許多必要的元素都是取自礦

物之外，生物與礦物間交集的另一面向。科學家過去以「仿生」的策略，改進材料的性能，今後或可設

法利用微生物，作無機化學品的製備、純化與分離。

鉛是重而有毒的金屬，硫酸是非常難搞的液體，在汽車初發明時用的就是鉛酸二次電池，過了這麼

多年還沒法把它換掉。我們不得不佩服前人的智慧。能量密度高對環境又比較友善的鋰二次電池，是取

代它最有希望的候選人。

降低環境污染與節能減碳須從各方面著手。海運的船隻越來越大，能源的消耗和二氧化碳的排放量

也大，難免成了大家關注的對象。但我們該知道，海運每公噸每公里所排放的二氧化碳，以及消耗的能

源和成本，與陸運和空運相較是低得很多的。

編│者│的│話

Science Development

科學發展 2013年 2月│ 482期 01

4 礦物科技 余樹楨

6 七彩寶石的祕密 吳毓純

彩色寶石的顏色都是由光的吸收現象造成的。

12 人造寶石礦物 林書弘∕鄧茂華

合成寶石無論在成分、性質或構造上幾乎都與天然寶石一致。

18 神奇的奈米磁鐵礦 陳燕華

當磁鐵礦尺寸小至奈米等級時，許多應用便接踵而至。

24 透視地球深處的窗戶 龔慧貞

高壓實驗的結果大致解釋了由地震波所建立的地球內部模型。

30 礦物與博物館 何恭算

隨著資訊科技的進展，已能以數位典藏方式呈現色彩繽紛的礦物世界。

中華民國 102年 2月

目 錄CONTENTS

61

專題報導

1 編者的話

Science Development

482

02 科學發展 2013年 2月│ 482期

38 光線喚醒的記憶 黃阿敏∕林學賦

運用基因工程學能標定恐懼學習相關細胞，且可用光學的方式使它活化。

44 石斑魚的恐怖病毒殺手 陳宗嶽∕王廷瑜∕徐浩軒

在石斑魚病害中，以神經壞死病毒最為嚴重。

一般報導

50 鋰電池 柯賢文

鋰電池具有：電壓高、能量密度高、適用溫度範圍廣、功率高、壽命長等優點。

60 綠色航運 黃道祥

維護海洋環境、善用資源，綠色航運是提高產業競爭力的重要環節。

68 歷史脈絡下的科學與技術 王鑫∕許玲玉

跳躍式的科技進步帶來了深層的社會變遷。

74 汙水整治 1 加 1 大於 2 張志玲

76 在不規則中找規則 吳美枝

台灣新發現

78 海洋保育區∕閹割能增壽？∕兩性壽命趨於平等∕「重量」級問題

王道還

科技新知

82 醫療專業化的曲折道路 李尚仁

科學、技術與社會

16

35

03科學發展 2013年 2月│ 482期

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期04

專題報導

余樹楨│專題報導特邀編輯

成功大學地球科學系

礦物科技

礦物是自然界最能展現優美對稱的天然結晶，光鮮亮麗而且多采多姿，令人

喜愛。透過寶石的加工，礦物晶體成為人們喜愛的貼身飾品。

其實，礦物科學的研究與發展，有許多是模仿與學習自然而成功的。在礦物

科技領域中，金剛石的人工合成就是一個明顯的例子。天然鑽石是在地底深處的

高溫高壓環境中緩慢結晶而成的。西元 1954年冬天，美國奇異公司由 Tracy Hall

所領導的研究團隊就是模仿自然界金剛石的結晶溫度與壓力，輔以催化劑的作用

而成功地製造出人工鑽石。此外，以水熱法培育人工水晶也是人類模仿自然界石

英結晶成功的一個典範。

05科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

今天礦物科學與技術的發展已經超越模仿自然的運作模式，進而以更新穎、更人性化的

思維創造出最前緣的研發成果。早年礦物科學畢業生很多在油源探勘、煉鋼、陶瓷、水泥，

乃至玻璃、窯業覓得理想工作；現在的礦物科學畢業生已經把職場推進到光電業、半導體製

造業，以及電腦周邊產業等領域。

礦物科技主要以固態物理、結晶化學的基本原理為基礎，探討天然礦物結晶體內部的原

子排列模式（晶體結構），以及在溫度、壓力改變的環境下，晶體結構如何轉變？轉變的機

制是什麼？同時研究不同的晶體結構所產生的各種物理、化學、機械，乃至於光學等特性的

變化。因此礦物科技成為今天科技領域中十分重要的訓練學程。

這一期的礦物科技，在寶石的成色原理以及人工寶石合成方面有兩篇深入的報導：〈七

彩寶石的祕密〉告訴你為什麼同樣是鉻離子雜質，卻可以形成截然不同的紅寶石與祖母綠；

〈人造寶石礦物〉告訴你各種人工晶體的培育技術。此外，奈米科技已經走入我們的日常生

活中，〈神奇的奈米磁鐵礦〉介紹磁鐵礦為什麼具有磁性？以及奈米礦物結晶的特性與實際

應用，甚至包括醫療領域的例子。

地球內部的高溫高壓環境迥異於地表，探討地球內部物質的組成、結構與特性一直是地

球科學工作的重要目標，〈透視地球深處的窗戶〉深入介紹利用高壓儀器分析地球內部物質

特性的研究發展歷程與目前狀況。〈礦物與博物館〉則介紹礦物晶體在岩石學、地球化學定

年、大地構造、古氣候解析、經濟建設等方面的應用，以及博物館在礦物科技領域研究中的

社會意義。5篇文章各具特色，敬請讀者諸君慢慢品嘗，細心體會。

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期06

七彩寶石的祕密

■ 吳毓純

商店櫥窗裡琳琅滿目的寶石總是吸引著人們的目光，特有的顏色與光澤

更是它們珍貴的原因。每種礦物都有獨特的色彩，我們可以從顏色來窺

探它們的身世，以及其神祕的內在世界。

歷史上有許多纏綿動人的傳說，如愛江山更愛美人的溫莎

公爵以祖母綠寶石做為辛普森夫人的定情信物，鐵達尼號上蘿

絲佩戴的湛藍寶石見證了勇氣和愛情的堅定，在在都讓寶石被

賦予了諸多的浪漫與魔力。

到底這些結構與一般礦石類同，卻擁有撼動人心獨特色彩

的七彩寶石，它們懾人的顏色來自何處？就讓我們一起窺探這

七彩寶石的祕密吧！

色彩理論基礎

顏色是由不同波長的光綜合而成的結果，由於人類眼睛有

3種感光細胞分別對於紅、綠、藍 3種顏色的光最為敏感，因此感受到的顏色便可由這三原色疊加而成。

當光束中含有等量的紅、綠、藍三原色光時，就會看到白

光。若三原色光中缺少了某一色光，顏色便會變化。例如缺少

了藍光，剩餘的綠光與紅光加在一起便形成黃色光；若光線中

僅有藍光與綠光，就會看到青色。

黃

白青靛

藍

綠紅

三原色疊加原理說明了顏色

形成的原因

07科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

消失的光線

當白光照射進礦物晶體時，如果某個

波段的光線被吸收了，當這道光反射或投

射入眼中時便缺少了被吸收的那一部分，

根據顏色疊加原理，不同顏色的光便因此

產生。

在很多彩色礦物中，顏色的形成都是

由「吸收現象」所造成的，如坊間常見的

紅寶石、藍寶石。其實它們的本質都是剛

玉—氧化鋁，為什麼顏色完全不同呢？關

鍵就在於被吸收的光不同。而礦物晶體的光

吸收現象中，有一個最重要的角色—電子。

藍寶石其實就是大自然中常見的礦物

—氧化鋁，也就是剛玉。一般的剛玉是無

色透明的堅硬礦物，但當剛玉中摻雜了很

少量的鐵、鈦等雜質時，由於鐵離子有不

穩定的外層電子，它們很容易轉移至鈦離

子上。而鐵→鈦這樣的電子移動正好會消

坊間常見的紅寶石、藍寶石，其實本質都是剛玉—氧化鋁，但為什麼顏色

完全不同呢？關鍵就在於被吸收的光不同。

耗藍光以外的大部分可見光，以致經過這

樣的吸收作用之後，只剩下藍色。

晶場效應

紅寶石與藍寶石的本質同是氧化鋁，

為什麼它們有如此大的顏色差異呢？這是

因為兩者含有不同類型的離子雜質。在大

自然中，鉻與鋁是好朋友，經常同時出現，

而地殼中鉻的含量卻比鋁少很多，因此在

氧化鋁中，鉻通常只能擔任小配角，但它

卻是比主角還搶眼的「最佳配角」。

鉻離子在紅寶石中的吸收現象，與藍

寶石中鐵→鈦原子間電子移動的模式很不

一樣，而是原子內的移動。鉻是過渡金屬，

電子在過渡金屬內的活動比其他類型的元

素還自由、有彈性，這是因為它們或多或

少都有一些未成對電子填充在 d層電子軌域上。

由於鐵與鈦雜質的介入，使無色 透明的剛玉變成稀有的藍寶石。

（圖片來源：國立自然科學博物館）

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期08

若把原子想像成太陽系，其中原子核

（帶正電荷）是太陽，而電子就像行星一

樣圍繞著原子核公轉。最靠近原子核的電

子受到的吸引力最強，而位於最外層的電

子不僅受到原子核的束縛力最小，甚至還

會一不小心就受到原子外力量的影響而偏移。

當過渡金屬的周遭有其他陰離子環繞

時，d軌域電子會因為受到周圍離子的吸引而使得 d軌域的能階分裂，能階分裂的程度與過渡金屬和陰離子的距離有關，這樣

的能階分裂現象稱為「晶場效應」。當電

子在這個分裂的 d軌域上轉移時，另一種類型的吸收現象便發生了。

當鉻離子取代氧化鋁結構中的鋁離子

時，d軌域分裂後的高低能階差正好落在藍紫光與黃光這兩個波段的能量範圍，在光

吸收作用之後，便呈現火焰般的鮮紅色澤。

有趣的是，在綠柱石中當鉻離子取代鋁離

子時，因為綠柱石的晶體結構與氧化鋁相

當不同，在不同的晶場效應下，鉻在綠柱

石中吸收的波段變成藍、紅光，因此最後

變成了鮮艷的翠綠色，這就是俗稱的「祖

母綠」。

美麗的錯誤

礦物是在大自然中生成的，需要經過

很長的時間才能成長為夠大的晶體。然而

在生長過程中難免會遇到一些狀況，使得

晶體內部出現一些不完美的缺陷。有時候，

在晶體生長過程中難免會遇到一些狀況，使得晶體內部出現一些不完美的缺陷。

有時候，大自然的缺陷反而是種美麗的錯誤，造就了寶石特別漂亮的顏色。

被陰離子包圍著的過渡金屬，它位於原子最外圍的

d 層電子軌域會受到晶場效應而產生分裂。當電子

在這分裂的兩軌域間移動時，會吸收固定波長的光。

同樣是鉻離子造成的吸收現象，在剛玉（左）與綠柱石（右）中會呈現不一樣的結果。

（圖片來源：國立自然科學博物館）

09科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

大自然的缺陷反而是種美麗的錯誤，造就

了寶石特別漂亮的顏色。

在礦物中，當離子被不同價數的他種

離子取代時，陰陽離子間的電性平衡就會受

到破壞。這時，礦物通常會強迫增加或減

少結構內的電子，以便回到電中性的狀態，

紫水晶便是這樣的例子。水晶的成分是二

氧化矽，也是大自然中含量最豐富的礦物。

當二氧化矽在自然環境中緩慢結晶時，會

形成無色透明的六角柱狀結晶。但如果生

長過程中不小心夾雜三價鐵離子（Fe3+），

水晶就會從無色透明變成美麗的淡紫色。

淡紫色的形成是因為帶有四價正電的

矽被帶著三價正電的鐵離子取代，使得電

價出現失衡。這時帶有二價負電的氧離子

會犧牲自己，釋放一個電子，以達到電性

中和。當氧離子失去一個電子時，會留下

一個電子空洞，稱為「電洞」。剩餘的另

一個電子會受到電洞影響，變成較不穩定

的電子，若接收到適當的能量，就會被激

發到較高的能階上。由於吸收現象是由電

洞造成的，因此稱它是「色心」。

受到鐵離子介入所形成的電洞，會吸

收波長較長的可見光，只剩下波長較短的

紫色光未被吸收。如果電洞是因鋁離子

（Al3+）的取代所造成的，電子的躍遷就

會變成吸收大部分的可見光，使得水晶的

顏色變成黑色，這就是常見的煙水晶。若

稀土元素是鼎鼎有名的發光元素，有著「工業之母」的稱號，在許多科技產品中

都可發現它們的蹤跡。應用之所以如此廣泛，得歸功於它們獨特的電子組態。

紫水晶（右）與煙水晶（左）分別是由鐵離子與鋁離子在水晶中

所造成的色心成色的結果。（圖片來源：國立自然科學博物館）

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期10

（左）平常所見的矽鋅礦；（右）

在紫外燈照射下，矽鋅礦會釋放

出強烈的綠色螢光。（圖片來源：

國立自然科學博物館）

電洞的數量較少，光的吸收量也會變少，

這時整體顏色看起來就接近棕色，因此稱

作「茶晶」。

傳說中的夜明珠

你是否曾聽說過有些礦石會在夜晚自

然散發出亮光，就像傳說中的夜明珠？事

實上，有些礦物確實具有自然發光的特性，

這與前面所描述的吸收現象其實有緊密的

關係。

當電子從低能階跳躍至較高能階時，

會吸收特定能量的光而形成顏色。有時候，

這些受到激發的電子有機會返回原先的低

能階位置。一旦這樣的狀況發生了，電子

會把先前吸收的能量釋放出來。這些能量

有時會以熱能的形式消耗掉，也有時會以

光的方式釋出，就是「螢光效應」。

當電子受到激發時，它在激發態停

留的時間通常很短，可能僅停留幾微秒

（0.000001秒）就會掉回低能態，同時釋放出螢光，因此我們看不出光的吸收與螢

光反應的時間差，LED燈便是這種例子。但若電子是被激發到某個半穩定的位置上，

可能會停留長至數分鐘，甚至數小時才回

到低能態，這樣的現象稱為「磷光」。手

表或時鐘在白天吸收了日光，直到夜晚仍

可以釋出磷光的現象就是這樣的機制，傳

說中的夜明珠也是如此。

值得一提的是，並不是所有的吸收現

象都會帶來螢光表現，這取決於受到激發

的電子是否有機會返回原先的基態。也因

此，在數以百千計的礦物中，具螢光性質

的只有數十種，其中矽鋅礦就是很典型的

螢光礦物。當礦內的錳離子吸收了紫外光

的能量後，便會發射出強烈的綠色螢光。

11科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

「螢石」是最早被發現具有螢光的

礦物，其名稱就是據此而來。螢石的螢光

現象主要來自與螢石共生的稀土元素。稀

土元素是鼎鼎有名的發光元素，有著「工

業之母」的稱號，在許多科技產品中，如

LED、彩色螢幕、雷射、觸媒轉換器等之

中，都可發現它們的蹤跡。應用之所以如

此廣泛，得歸功於它們獨特的電子組態。

在稀土元素中，有些電子會被擠進一

個封閉的電子軌域內，也就是 f軌域。這軌

域能量較低，位於原子的較內層，外層有

較高能量的 d軌域保護著。當 f軌域的電子

吸收能量後，會躍遷至外層的 d軌域，但

無法跑遠，最終還是回到 f軌域上，並把先

前吸收的能量以螢光的形式釋放出來。

這樣的電子躍遷模式，可以說是發生

在茶壺內的風暴。因為能量的吸收與釋放

過程十分穩定，較不受外在環境的影響，

所以會放出固定波長的螢光，這就是稀土

元素受到高科技產品重視的最主要原因。 美麗天然的礦石是大自然賜予我們的

禮物，而光彩奪目的顏色更是它們珍貴且

吸引人的特點。從寶石多采多姿的色彩變

化中，我們看到的不僅是它們深具魅力的

外表，更多的是美麗背後代表的意義。即

使是不完美的雜質介入，甚至是結構缺陷

的存在，都可能是導致礦物美麗外表的關

鍵因素。下回當你見到七彩寶石時，不妨

停下腳步給它一個會心的微笑，因為你已

經知道它的祕密了。

圖片來源：種子發

吳毓純成功大學資源工程系

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期12

人造寶石礦物

■ 林書弘、鄧茂華

市面上寶石很多，大多是貨真價實的天然寶石，但也有不少是以假亂真的

人造品，甚至是以塑膠玻璃冒充的仿造品。我們無法知道寶石的價格多少才

合理，但沒有人願意被騙，有沒有簡單的方法可分辨天然與人造的寶石呢？

「寶石」通常是指天然產出具有美麗外表的礦物，它們大多有較高的硬度與高經濟

價值，且因產量或蘊藏量都甚為稀少而凸顯其珍貴。為了滿足社會上的大量需求，寶石

學與礦物學專家才致力於尋找各種人造的材質做為天然寶石的替代品。

實際上「人造寶石」就是應用礦物科技所發展出來的新領域，專家透過礦物科學，

運用各種方法製造出各種人造寶石，以做為天然寶石的替代品。人造寶石有價格便宜、

品質易於控管、產量可以人為控制等優點。

材質種類與分類

天然寶石可區分為礦物類、有機寶石類與其他 3大類。一般而言，越是高價值的寶石就越值得用複雜昂貴的合成方法製造，較便宜的寶石則常用玻璃塑膠灌模方式來仿

製。以下簡單說明這 3大類的區別。絕大部分寶石都是礦物類寶石，主要成分是矽酸鹽類礦物。此外，還有元素類、

氧化物、氫氧化物、鹵化物、硫化物或各種鹽類的寶石礦物，例如元素類的金剛石（鑽

石）、氧化物類的剛玉、氫氧化物類的水鎂石、鹵化物類的螢石、硫化物類的黃鐵礦、

磷酸鹽類的綠松石等。

13科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

有機類寶石主要是生物來源，包含由

鈣質生物遺骸、分泌物或殼體組成的珍珠、

珊瑚、硨磲（貝殼），以及純粹有機成分

（硬蛋白質或樹酯）所構成的琥珀、象牙、

牛角、玳瑁等。

至於其他類，既不屬於礦物類也非有

機寶石，主要常見的有以岩石為主體而非

單一礦物的寶石，例如青金岩、黑曜岩與

女媧石（實際上是一種火山集塊岩）。

礦床條件

美國寶石學院（Gemological Institute of America, GIA）把寶石分為鑽石和有色寶石（colored stones）兩類。其中鑽石是眾所周知的高價值寶石，而有色寶石中，僅有少

數幾種符合產量稀少、價格較高且穩定等

條件。一般認為貴重的寶石包括鑽石、紅

寶石、藍寶石、祖母綠、金綠寶石等，都

符合產量稀少、供需平衡、價格穩定居高

的條件。此外，近幾年輝玉（翡翠）和閃

玉由於產量減少以及華人市場的需求，價

格也有越來越高的趨勢，近十年間漲幅甚

至超過百倍。

天然寶石受限於生成的礦床條件嚴苛，

蘊藏量有限且開採困難等因素，產量原本

就少。若要進一步去蕪存菁，挑出顏色佳、

淨度好、等級較高的寶石級原礦就更為難

得，這也是為什麼天然寶石非常稀有的主

要原因。雖然寶石學專家在技術上已可製

造出大量高等級且近乎完美又便宜的人造

寶石，天然寶石仍然因為其「稀少性」，

在價格上遠遠超過人造寶石。

鑽石 藍寶石

紅寶石

人造寶石的種類

人造寶石可區分為合成寶石（synthetic

gems或 created gems）及仿造寶石（imitation

gems）兩類。通常合成寶石指的是人工合

成的寶石晶體，這些晶體跟天然的寶石具

有相同的晶體結構與成分，差別僅在於並

非天然產出而是由人工製造的。仿造寶石

則是指材質的結構與成分都不同於天然寶石，

僅是在外觀上與天然寶石相似的仿製品。

合成寶石最典型的例子，就是人工合

成的水晶（石英晶體）、祖母綠（綠柱石

晶體）、紅寶石、藍寶石或鑽石等，由於

結晶構造和成分都與天然寶石完全相同，

因此大部分的寶石學儀器及鑑定方法都難

合成寶石跟天然的寶石具有相同的晶體結構與成分，

差別僅在於並非天然產出而是由人工製造的。

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期14

以區分。仿造寶石則是以蘇聯鑽（立方晶

系氧化鋯）、玻璃、塑膠、陶瓷等材質，

經切磨或模鑄後成為外觀與天然寶石相似

的「假」寶石。

研究寶石的手段和方法

不論是鑑定天然還是人造寶石，方法

都是透過各種礦物的物理、化學和光學特

徵來區別與分類，除了破壞性方法不可使

用外，各種非破壞性的觀察、測試或儀器

都可用於寶石研究。寶石學方法除了有助

於辨別寶石的種類外，還可進一步區別是

否是人造寶石或其他仿品。

寶石大都由較純的礦物所組成，可能

會有些微成分的變異，但以同一種寶石而

言，其物理、化學和光學性質應是固定不

變的。但仍有少數寶石由於成分或結構上

有較大變化，其性質也隨之改變，最有名

的例子是石榴子石家族。當石榴子石中含

有不同成分比例與離子種類時，就會在某

些性質上產生差異。

直接觀察方法與範例

任何寶石拿到手，第一步必然是肉眼

的直接觀察，但到底要觀察什麼才有助於

辨識寶石呢？其實，早在寶石學與各類儀

器存在之前，古今中外都已有寶石、玉石

的買賣，商人們靠的就是肉眼觀察和一些

徒手方法，雖是經驗法則，卻也不乏科學

根據。

人造寶石的常用合成方法與種類

合成技術 合成方法概述 常見合成寶石的種類

焰熔法使用氫氧吹管產生的高溫火焰把原料粉末熔融，

使其結晶生長。剛玉、尖晶石

拉晶法把原料置於坩堝中加熱至形成熔體，再把晶種降

至熔體中，緩慢升起以生長寶石晶體。

剛玉、尖晶石、釔鋁

榴石、釓鎵榴石、金

綠寶石

高頻冷坩堝法

利用高週波使原料粉末產生高溫，並使用銅管冷

卻外圍粉料，產生可耐高溫達攝氏 3,000度的「冷坩堝」。

蘇聯鑽（立方晶系氧

化鋯）

助熔劑法以固態硼、鉛與鋇氧化物及氟化物為助熔劑，高

溫下成為溶劑促使粉料結晶形成寶石晶體。

剛玉、綠柱石、金綠

寶石

水熱法

以高壓釜加熱水溶液，利用溶解度對溫度的變化

使高溫區的原料溶解，在低溫區的晶種上長出寶

石晶體。

剛玉、綠柱石、金綠

寶石、石英

高溫高壓法以壓帶或六面體頂錐機等高溫高壓設備加熱加

壓，致使原料形成人造寶石單晶或聚晶。鑽石、翡翠

化學氣相沉積法以低分子碳氫化合物如甲烷、乙炔等氣體為原料，

在一定溫壓條件下使氣體解離而沉積形成晶體。鑽石、碳矽石

15科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

以未切磨的原石（rough stone）而言，用寶石晶體外形所顯示的晶系、晶型和晶

癖（crystal systems, crystal forms and crystal habits）來判斷寶石的品種，就相當有幫助。此外，觀察原石斷裂面，還可得知解理組

數與解理發達程度。例如產於偉晶岩中的

海水藍寶巨型晶體（綠柱石家族中呈現藍

綠色系的稱為海水藍寶），從其原石的六

角柱狀晶型可知應是六方晶系，且綠柱石

類常有平行底面的解理，也可在原石中觀

察到。

對於已切磨的寶石，可針對其顏色、

光澤與透明度觀察。寶石的顏色是視覺上

最直接且快速的認定依據，有經驗的鑑定

師或珠寶商從某些特徵性的色彩就能判斷

出可能的寶石品種。例如緬甸產橄欖石，

直接觀察可發現其顏色是很特別的橄欖綠

色，且天然寶石內還可發現包裹有內含物

晶體。寶石的折射率很高時（超過 2.0），會呈現金剛光澤（大量切割面全反射），

較低的折射率則呈現出玻璃光澤（反光面

較少，容易漏光）。

又如切磨成三角形明亮式的立方晶系

的氧化鋯（俗稱蘇聯鑽），是一種知名的

仿鑽人造寶石，自然界並不存在，但由於

擁有接近鑽石的高折射率（2.15，鑽石是2.42）與色散，因此呈現火光閃爍的金剛光澤。透明度則在鑑別玉與玉的仿品時至關

常見的人造寶石與原石

海水藍寶晶體

緬甸產橄欖石

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期16

重要，像一般岫玉（葉蛇紋石）與水沫子

（聚晶鈉長石的商業名稱）在透明度上，

都會比真正的輝玉和閃玉高很多。

簡單的儀器測試方法

除了主觀的「肉眼直接觀察」外，還

可以透過儀器的量測得到寶石客觀的物理、

化學、光學性質等具體數據。只是鑑定寶

石的儀器價格不斐且取得不易，因此對於

一般民眾來說，儀器測試方法未必是較好

的手段。但仍有 4種較容易取得的工具，可用來幫助鑑定寶石。例如折射儀可量測

折射率，聚光燈與放大鏡可以觀察寶石晶

體內部的細微構造，分光鏡可以測試吸收

光譜等。此外，簡單的天平也可以用來估

計比重，硬度計可以估計硬度。

使用高階的寶石專用顯微鏡，可以很

清晰地看到包裹在寶石晶體中的不同物質

（一般稱為「內含物」），以及顯微結構

或特殊現象。例如橄欖石有很強的雙折射

現象，若透過顯微鏡或放大鏡觀察具有強

雙折射的寶石底部刻面稜線，會發現底部

稜線有明顯的「雙重影像」，類似平行分

岔的外觀，這個現象就可做為橄欖石的重

要辨識依據。

此外，由於天然或人工製造的寶石內

含物不同，也可以用來判定是否是天然寶

石。例如天然寶石中常含有其他礦物包體，

人造寶石則有氣泡或液體內含物。有些經

驗豐富的專家甚至可以用便宜的寶石放大

鏡，來判斷寶石的種類或真偽。

人造寶石的辨識與區分

「仿造寶石」由於性質與天然寶石差

異顯著，從寶石的物理、化學和光學性質

都可明確區別，例如透過折射儀量測折射

率或比重測量等方法，都可清楚辨識出人

工仿造品。其中玻璃與塑膠因為成分的變

化頗大，因此包括比重、折射率等性質變

異也很大。蘇聯鑽（立方晶系氧化鋯）的

仿造寶石由於性質與天然寶石差異顯著，從寶石的物理、化學和光學性質都可明確

區別，例如透過折射儀量測折射率或比重測量等方法，都可清楚辨識出人工仿造品。

蘇聯鑽 4 種常用的寶石儀器工具

17科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

性質變異雖小，比重卻高達 5.4，這一點相當容易與天然寶石區分（天然寶石比重很

少超過 5），即使僅用手掂量都可明顯感覺其差異性。

合成寶石無論在成分、性質或構造上

幾乎都與天然寶石一致，因此使用一般的

礦物學方法，例如折射率、比重、硬度、

解理等都無法區別。鑑別合成寶石的最後

把關手段，除了使用更精密的分析儀器（如

可見光吸收光譜儀、紅外線光譜儀）以外，

就只能倚靠寶石顯微鏡觀察了。

由於天然寶石產生於各種不同地質條

件的礦床中，生長過程中會包裹各種天然

內含物，如礦物晶體、液體、兩相物、三

相物等。然而合成寶石只會包裹氣泡、助

熔劑、鉑金屬片等人造內含物，因此辨別

天然與人造寶石往往必須倚靠這些有如「指

紋」一般的內含物特徵。

例如天然的星光紅寶石，在高倍顯微

鏡下可見定向排列的金紅石針狀晶體以 120度相交，有如霓虹燈般閃爍。合成的紅寶

人造寶石是應用礦物科學與材料科學所合成出來可媲美天然寶石的完美晶體，

除了可提供高品質且大量的材料做為工業用途外，也可做為寶石飾品。

橄欖石的強雙折射顯微影像 天然星光紅寶石內部的金紅石針狀

晶體排列

合成紅寶石中常可發現氣泡內含物

石中則僅見氣泡內含物，包含圓形、橢圓

形、魚雷形等，最典型的則是魚雷狀氣

泡，若是天然紅寶石就不會見到氣泡內

含物。

人造寶石是應用礦物科學與材料科學

所合成出來可媲美天然寶石的完美晶體，

除了可提供高品質且大量的材料做為工業

用途外，也可做為寶石飾品。本文描述了

一些簡單的方法，可以用來鑑別天然與人

造寶石，讀者若能多看多練習，慢慢累積

辨識的經驗，必能成為一位業餘的寶石專

家，減少被騙上當的機會。

林書弘台灣聯合珠寶玉石鑑定中心

鄧茂華臺灣大學地質科學系

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期18

神奇的奈米磁鐵礦

■ 陳燕華

當礦物尺寸小到奈米等級時，

它的物理、化學性質都會改變，

連帶著可以應用的範圍也不一樣。

磁鐵礦又稱為磁石。據說是有個希臘的牧羊人（Magnes），有一天發現他的鐵拐杖和鐵釘鞋會被地面上某種神奇的石頭吸住，因而發現了磁鐵礦（magnetite）。磁鐵礦的外觀顏色大多是黑色或灰黑色，晶體形狀通常呈現八面體或菱形十二面體，坊

間又稱為鐵黑、磁石、慈石、玄石、吸鐵石、磁性氧化鐵。磁鐵礦具有似金屬的光澤，硬

度（5.5∼6）和密度（4.9∼5.2 g／cm3）都很大，在溫度高達攝氏1,595度時才會熔融。磁鐵礦可溶於酸，但不溶於水、鹼和乙醇、乙醚等有機溶劑。潮溼狀態下，在空氣中的磁鐵礦

（Fe3O4）容易氧化形成針鐵礦（FeOOH）或赤鐵礦（Fe2O3）。

磁鐵礦的八面體晶體外觀

左圖是磁鐵礦的晶體結構，紅球是O2- 離子，藍球是在八面體位置上的Fe2+、Fe3+ 離子，

黃球是位在四面體上的 Fe3+ 離子。右圖是 Fe2+、Fe3+、O2- 三離子間的相互鍵結狀態。

Fe3O4

Fe2+　

Fe3+　

O2-　

19科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

磁鐵礦是在較還原的環境中產生的，

它的化學式 Fe3O4中的鐵原子有二價和三價

兩種價態，因此又可寫成 Fe2+O‧Fe3+2O3，

其中二價鐵離子擁有 2個成對、4個未成對的 d軌域電子，三價鐵離子則含有 5個未成對的 d軌域電子。磁鐵礦在晶體結構上屬於反尖晶石結構，不同價態鐵離子在晶體中排

列的位置不一樣（[Fe3+]T[Fe2+,Fe3+]OO4）。

由於 T位鐵離子與 O位鐵離子磁矩反向排列，導致 Fe3+的磁矩互相抵銷，磁鐵礦整

體磁性是由 Fe2+的磁矩所提供，也就是具

有亞鐵磁性，因此磁鐵礦可吸住鐵屑或被

磁鐵所吸引。

磁鐵礦是很普遍的礦物，在台灣大屯

火山群的安山岩中、台灣北部和西部海岸

的海砂中、花蓮和台東的河砂中、中央山

脈變質岩中都找得到磁鐵礦。要蒐集磁鐵

礦的方法很簡單，只要把磁鐵靠近採集處

就行了，因為磁鐵會吸引住具有磁性的黑

色磁鐵礦。天然的磁鐵礦是煉鋼或煉鐵的

原料之一，也可以當作黑色顏料，用於水

泥著色或建築上色。因為它的硬度大，也

可以做為拋光劑或研磨劑使用。磁鐵礦是

天然的磁性材料，經過純淨化處理可以用

在錄音用的磁帶上。

自然界中的奈米磁鐵礦

天然的磁鐵礦是由無機作用所形成的，

但在火星上，卻發現疑似由微生物作用所形

成的磁鐵礦微粒。在我們所居住的地球上，

也發現「磁菌」（magnetotactic bacterium）

體內含有奈米磁鐵礦，這些奈米磁鐵礦成

為磁菌的導航系統。

地球上的「磁菌」體內有「磁鐵礦微

粒子」，每個粒子大小是 50∼ 100奈米（一

奈米等於十億分之一公尺），而且純度高

於一般由無機作用形成的天然磁鐵礦。這

項發現意味著磁鐵礦也可以藉由微生物作

用而形成。地球本身是一個大磁場，因此

磁菌會把體內 10∼ 20個磁鐵礦微粒子排

列成鏈狀，然後利用這些鏈狀的奈米磁鐵

礦做為行進時的導航系統。

美國航空暨太空總署在南極大陸發現

了「火星隕石 Allen Hills 84001」，研究小

組認為這顆隕石中含有生命的痕跡，因為

這顆隕石中有疑似由微生物製造而形成的

磁菌體內的奈米磁鐵礦、火星隕石中所發現的磁鐵礦奈米微粒，

都證明自然界中存在著天然形成的奈米礦物。

奈米尺寸的磁鐵礦

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期20

磁鐵礦晶體。藉由電子顯微鏡觀察，這些

磁鐵礦微粒包裹在火星隕石岩體中，因此

科學家表示這些磁鐵礦微粒來自火星。又

由於它跟地球上磁菌所形成的奈米磁鐵礦

微粒一樣，呈現長鏈狀排列且外圍有薄膜

包覆，因此美國航空暨太空總署的科學家

相信這類型的細菌必然曾經存在於火星上，

即火星上曾經有「生命」。

磁菌體內的奈米磁鐵礦、火星隕石中

所發現的磁鐵礦奈米微粒，都證明自然界

中存在著天然形成的奈米礦物。其他例子

包括中洋脊玄武岩中發現具有奈米晶粒的

鈦鐵氧化物礦物、星系間大紅射線是太空

中奈米鑽石所引起的、台東縣東河的麥飯

石中含有奈米級的蒙脫石和玉髓等。又如

玫瑰花因為花瓣上具有奈米粒的排列結構，

讓水珠在低角度下仍然可以附著在花瓣上

而不掉落；貝殼（成分是碳酸鈣、硬度是 3）理論上很容易受到外力作用而損壞，但因

表面具有規則排列的奈米結構，使得貝殼

不容易被破壞。

奈米磁鐵礦的特性

天然磁鐵礦是亞鐵磁性的礦物，奈米

等級的磁鐵礦則屬於超順磁性。當礦物尺

寸小到奈米等級時，它的物理、化學性質

都會改變，例如：比表面積增加（表面效

應）；磁特性、化學活性改變（小尺寸效

應）；電子能隙隨晶粒變小而增加（量子

玫瑰花瓣上的奈米粒結構（圖片來源：Y.M. Park, M. Gang, Y.H. Seo, B.H. Kim (2011) Thin Solid Films, 520, 362-367.）

αp

21科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

尺寸效應）等，使得奈米等級的礦物可以

應用的範圍也不一樣。

磁鐵礦變成奈米磁鐵礦後，除了比表

面積大幅提升外，它的磁性更由原本的亞

鐵磁性轉變成超順磁性。當晶體小到每個

晶粒中只有一個磁區時，一個晶粒內所有

原子的磁矩會受到熱擾動的影響，使得它

們的磁矩無法指向同一方向，而呈現凌亂

無章的順磁性排列。這種因尺寸變小所造

成的順磁特性稱為超順磁性。

上面提到的「表面效應」，是指固

體表面的原子數和總原子數的比值隨粒徑

變小而急遽增加後所引起的性質變化。

以奈米銅為例，粒徑由 100 奈米縮小至 1 奈米時，比表面積由 6.6 m2／g 變成 660 m2／g；表面能則從 590 J／mol 變成 59,000 J／mol。材料表面原子和內部原子因所處的環境不同，而具有不同的表面能和化學活

性。表面原子數增加會導致原子配位數不

足、表面能提高，這時表面原子處於不穩定

狀態，容易和外界環境反應，造就了奈米礦

物具有極佳的吸附性和催化活性。

「小尺寸效應」則是指當材料小至奈

米尺寸時，它的晶體周期排列特性會被破

壞，導致材料的物理和化學性質呈現新的

面貌。例如：金的熔點約攝氏 1千度，奈米金的熔點卻是攝氏 3百度；金屬鐵具有鐵磁性，奈米金屬鐵則呈現超順磁性；奈

米銅的強度比普通銅高 5倍等。材料因為尺寸奈米化後，徹底改變了它原本的晶體

結構，進而改變了它的物理、化學性能。

小尺寸效應提供了材料領域一個新的契機，

藉由改變材料的尺寸可創造出新的功能性

材料。

「量子尺寸效應」則是指當晶體粒徑

縮小至奈米等級時，晶體的能帶結構會產

生變化，而且能帶結構中的價帶和導帶間

的能隙變寬，這種變化產生了很多不同的

光學效應。例如：奈米鉑（Pt）對可見光

的反射率比金屬鉑還低，因此它對可見光

具有強吸收性，以至於奈米鉑呈現黑色，

而非一般常見金屬鉑的白金顏色。碳矽石

（SiC）對紅外線的吸收頻率是 774 cm_1，

但奈米碳矽石因量子尺寸效應使得價帶和

導帶間的能隙變大，進而對紅外線的吸收

頻率變成 794 cm_1。

磁化率和磁場間的關係圖，黑色線是超順磁性，

紅色虛線是鐵磁性或亞鐵磁性。

奈米磁鐵礦的超順磁性曲線

-10,000 10,000-5,000 00

5,000

100

50

-100

-50

磁化率（emu/g）

磁場（Os）

磁化率（M）

磁場（H）

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期22

奈米磁鐵礦的應用

磁鐵礦是最早發現的磁性物質之一，

當它的尺寸小至奈米級時，許多應用便接

踵而至。例如奈米磁鐵礦可做為重金屬的

吸附劑、隱形飛機的塗料、核磁共振的顯

影劑、磁性導引的靶向治療、癌症熱治療

的藥引子等。

當磁鐵礦尺寸縮小到奈米等級時，因

為粒徑變小、比表面積增大，所以可吸附

重金屬的位置增加。再加上因表面原子數

目增多，表面能也迅速增高，使得表面原

子具有很強的活性，很容易和重金屬結合。

奈米磁鐵礦內部含有二價的鐵離子，當它

吸附六價的鉻金屬離子時，會產生電子轉

移的機制，即二價鐵離子會氧化成三價鐵

離子，而讓高毒性的六價鉻離子轉變成低

毒性的三價鉻離子。這過程不但達到吸附

重金屬的目標，還讓重金屬的毒性大大地

降低，因此奈米磁鐵礦是深具實用潛力的

吸附劑。

奈米磁鐵礦也可用來當做隱形飛機的

塗料。奈米磁鐵礦有高的比表面積，而且

對雷達訊號或紅外線波段有良好的吸收性

能，因此當紅外線或雷達電磁波跟塗附在

飛機表面的奈米磁鐵礦交互作用時，奈米

磁鐵礦內部的磁矩會順著外界電磁波的磁

場方向排列。當電磁波的磁場隨頻率轉換

時，奈米磁鐵礦便會隨之產生磁滯效應，

消耗紅外線或雷達電磁波的能量，進而讓

紅外線或雷達的信號減弱，就好像讓飛機

穿了一層隱形衣一樣，因而偵測不到飛機

的行蹤。

奈米磁鐵礦本身無毒性，對生物的相

容性高，因此可應用在生物醫學上。一般

顯影劑的功能是為了增強不同組織間的明

暗對比，也就是把病變患部和正常組織部

位的對比凸顯出來。奈米磁鐵礦因為含有

未成對的 d軌域電子，具備超順磁性的特性，因此可用來改變特定組織內水分子的

鬆弛時間，並提高和其他組織部位間鬆弛

時間的差異性，進而提升不同組織間的明

暗對比，適合當作核磁共振的顯影劑。

磁鐵礦是最早發現的磁性物質之一，當它的尺寸小至奈米級時，許多應用便接踵

而至。例如奈米磁鐵礦可做為隱形飛機的塗料、磁性導引的靶向治療藥引子等。

奈米磁鐵礦可用來當作核磁共振顯影劑，亮點處

是老鼠的主要淋巴結，這種明顯對比的影像可

提高早期發現組織病變的機率。（圖片來源：H. Kobayashi, S. Kawamoto, R.A. Star, T.A. Waldmann, Y. Tagaya, M.W. Brechbiel (2003) Cancer Research, 63, 271-276.）

胸管

正常淋巴結

23科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

目前腫瘤或癌症的藥物治療方式，都

是以口服或注射的方式投入患者體內，但

藥物進入人體中會被血液稀釋，或藥物並

非全部集中到欲治療的患部，造成治療效

果大打折扣。磁性導引的靶向治療，就是

以奈米磁鐵礦攜帶治療腫瘤或癌症的藥物，

再利用外加磁場把具超順磁性的奈米磁鐵

礦導引至欲治療的患部（由外加磁場來局

限藥物在身體內分布的位置）。這種方式

可以使藥物不向外流竄，且集中在欲治療

的患部，因而可降低藥劑的使用量。如此

一來，藥物也比較不會留置在正常組織部

位而產生不良的副作用。

奈米磁鐵礦因具有超順磁性，如果技

巧性地改變外加磁場，在體內患部的奈米

磁鐵礦會因外來電磁波的感應而產生振動，

進而釋放熱量，達到對患部產生高溫加熱

的效果。一般病變的細胞對高溫的承受力

較低，在高溫作用下會凋零，但正常細胞

所受到的影響較小，因此奈米磁鐵礦可成

為腫瘤或癌症的熱治療劑。奈米磁鐵礦搭

配外加磁場的磁導引，可以把藥物集中在

患部而達到靶向治療的目的，若又加上外在

磁場振盪所產生的高溫加熱來殺死癌細胞，

便可雙管齊下，提高癌症的治癒率。

藍色顆粒是奈米磁鐵礦，兩側有外加的振盪磁

場，奈米磁鐵礦可做為腫瘤或癌症熱治療的藥引

子。（ 圖 片 來 源：S.F. Medeiros, A.M. Santos, H. Fessi, A. Elaissarib (2011) International Journal of Pharmaceutics, 403, 139-161.）

陳燕華成功大學地球科學系

細胞

磁性裝置

磁性導引的靶向治療是以奈米磁鐵礦

攜帶治療癌症的藥物，再利用外加磁

場把奈米磁鐵礦導引至欲治療的患

部。（圖片來源：C. Plank, O. Zelphati, O. Mykhaylyk (2011) Advanced Drug Delivery Reviews, 63,1300-1331.）

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期24

透視地球深處的窗戶

■ 龔慧貞

人類至今所能觸及的地球深度只有十幾公里，

那我們如何了解地球內部？

什麼是極限環境（extreme condition、extreme environment）？極限環境是指相對於人類日常活動範圍的另一極端環境，譬如地底深處或太空。人類賴以生存的地球表面，

溫度大約從攝氏零下數十度（南極曾有－ 94.5度的紀錄）到五十幾度，而壓力大概是 1大氣壓。

科學家利用太空飛行器及各種儀器觀察太空，得知太空是一高真空、極低溫（攝氏

－ 270度左右）的環境。人類雖已有能力發射飛行物至太空探測或搜尋外太空生物，但到 21世紀的今天，人類在地球上所能工作的最深地方，也不過是離地面大概 3.9公里深的南非黃金礦坑，以及位在俄羅斯北邊極圈、大約 12.3公里深從事科學研究的超深鑽孔。這二者相較於地球的 6,400公里半徑，有如雞蛋上薄薄的蛋殼。而地心深處壓力預估超過 300萬大氣壓，溫度則高達攝氏 4,000度以上。

對於地底深處，人類一直充滿好奇。最早描寫地底深處的科幻小說是 1864年法國儒勒．凡爾納（Jules Gabriel Verne）的《地心歷險記》，曾分別在 1959與 2008年拍成電影〈地心歷險記〉及〈地心冒險〉。另外，1990年代美國普魯斯（Paul Preuss）的小說《地核》，2003年也被拍成電影〈地心毀滅〉。

25科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

地下世界知多少

人類至今所能觸及的地球深度也就十

幾公里，那我們如何了解地球內部？現在

人類獲取地球內部訊息的方法，是從可能

影響我們身家性命安全的地震，用一些數

學模型把地震資料轉換成地震波速度，進

而獲得地底物質密度與深度的關係。地震學

家從速度及密度在某些深度呈現急遽變化，

判斷地球剖面就如洋蔥般是層狀的結構。

就這層狀結構，地球物理學家把地球

內部構造區分成地函及地核兩大部分，地

函又依深度分為上部地函、過渡帶及下部

地函，地核則分為外核及內核。根據剪力

波無法在液體中傳遞的物理原理，地震波

的資料告訴我們所謂的外核有可能是高溫

液態的物質。雖然地震資料已提供地表到

地心的物理狀態，但無法得知地球內部物

質的化學成分、晶體結構及溫度。我們能

從這些地震資料及地表所看見的岩石，來

推測整個地球的成分及溫度嗎？

透視地底

「工欲善其事，必先利其器」，要

了解地球內部的「祕密」也不例外。如

果沒有哈佛大學物理系布立基曼（Percy Bridgman）教授從 1910至 1930年代對大體積壓力機的改進，地球科學家對地球內

部的了解可能要晚很多年。布立基曼因為

高壓方面的研究成果，榮獲 1946年的諾貝爾物理學獎。

現在人類獲取地球內部訊息的方法，是從可能影響我們身家性命安全的地震，

用數學模型把地震資料轉換成地震波速度，進而獲得地底物質密度與深度的關係。

速度（

km/s）、密度（

g/cm

3 ）

溫度（

1000

K）

壓力（Gpa）

深度（km）

S波無法傳遞，推測這區是液體。

　　密度　　壓縮波（P）　

剪力波（S）

地函

地核

地震波（壓縮波 P 及剪力波 S）速度、物質密度及

壓力與深度的關係，可能的溫度與地下深度的關係

以淡黃色標示。地球內部因地震波速與密度在大概

3,000 公里深處有急遽變化，因此 3,000 公里以上

稱為地函，以下則稱為地核。地核外部因無剪力波

的傳遞，可能是液態。速度與密度資料主要是根據

地震模型 ak135 得出的。

布立基曼及其改進的大體積壓力機（圖片來源：美

國物理學會）

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期26

布立基曼改進的大體積壓力機，是

以楔形設計的金屬砧尖端對壓產生壓力。

1930年代，布立基曼設計的壓力機可產生的壓力高達 10萬個大氣壓，相當於地底300公里深處的壓力。當時哈佛地球科學系達理（Reginald Daly）教授認為，如能以這種高壓實驗設施來測量像地面所見的礦物

在高壓下的物理性質，進一步比對地球物

理資料如地震波速及重力資料，就可以進

一步了解地球內部物質的成分。因此，達

理與布立基曼在哈佛大學成立以高壓實驗

為主的實驗地質學及地球物理學（地震學）

兩個研究團隊。

布立基曼當時的博士班學生柏奇

（Francis Birch）負責高壓實驗，他在 1952年所發表的文章〈彈性性質及地球內部成

分〉，就是結合物質的物理性質測量及地

球物理觀測來解釋地球內部為何是層狀結

構，並提出地球內部的可能成分。從此揭

開對地球內部的研究，他也因此被稱為「礦

物物理之父」。

1950年代末，科學家發明另一型高壓儀器—鑽石高壓砧，它會成為研究物質

在高壓下特性的主要設備之一是個意外。

1958年，美國國家標準局的法爾肯保（Alvin Van Valkenburg）把試樣夾在兩鑽石砧面間，想導入紅外光線進行觀察，但因為這兩砧

面沒平行對準，法爾肯保發現有所謂「高

壓區」的產生，而在這區域的物質光學特

性也改變了。這時科學家發現，用這樣的

儀器可以直接觀察物質在高壓下的性質變

化。自此，大體積壓力機及鑽石高壓砧同

時成為研究地球內部物質的主流實驗設備。

過去 60年來，鑽石高壓砧的發展在形式上沒改變多少，基本上是把兩顆珠寶業

所稱的燦爛切割型鑽石頂點切平，然後使

兩頂端面相對，在這兩鑽石外端施力，兩

頂端面間，即樣品腔中，就會產生很高的

壓力。在適當的砧面設計及操作下，鑽石

高壓砧的壓力可達接近地心 300萬大氣壓的壓力。

鑽石高壓砧產生高溫的主要方法有二。

一是在這兩鑽頂端面夾一金屬或石墨做為

電阻，在鑽石高壓砧外加電壓、電流使電

阻發熱，而讓實驗樣品可同時處於高溫高

壓狀態。二是所謂的雷射加溫法，即把高

功率的雷射光引入鑽石高壓砧的樣品腔，

使樣品吸收雷射光而產生高溫，這種方法

（a）一般實驗室中使用的鑽石高壓砧，圖下方是高壓砧打開時的狀態，左上角是組合後的形狀。加壓

方法是以 2 支六角扳手旋緊螺絲施加壓力，綠色格子代表 1 公分。（b）在鑽石高壓砧中，碘化銀的顏

色因受壓力而產生變化。亮區是兩鑽石砧面對壓區域，直徑 0.05 公分。中間橘紅色區域是至少 10 萬大

氣壓的最高壓區，黃色區域的壓力低於 10 萬大氣壓，最外圍是零壓的區域。

27科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

可加溫高達 4,000∼ 5,000K。相對於鑽石高壓砧，這些年來發展出

許多不同的大體積壓力機設計。因為是由

液壓力機來產生高壓，所以其裝置體積比

只有手掌心大小的鑽石高壓砧來得巨大。

大壓力機所能達到的最高壓是 125萬大氣壓，雖然不及鑽石高壓砧，但大體積壓力

機所能工作的樣品體積，比鑽石高壓砧至

少多出 2,000倍以上，使大體積壓力機在某些高壓物理測量上有較好的定量結果。

大體積壓力機也可讓實驗樣品同時在

高溫高壓下測量，簡單說，也是把特殊的

較低電阻的石墨、金屬或陶瓷材料包覆樣

品腔外施予電流、電壓使其發熱。

物質在極限環境中的反應

大多數讀者可能熟悉台灣超級馬拉松

跑者林義傑為挑戰自己肉體及心靈的極限，

在地球表面極冷的南極冰原或極熱的沙漠

中長跑。但我們是否見過有形物質在極限

環境中的反應？

日常生活中最常見的例子就是「水」。

當把水置入冰庫中，就凝結成固體冰，而

加熱到約攝氏 100度的沸點，它會變成水

蒸氣。水、冰、水蒸氣三者的不同點，在

於水分子相互之間的排列方式。

分子或原子的排列方式稱為結構，當

這些原子或分子在三度空間一直規律地重

複延伸時，這結構就稱為「結晶相」，例

如調味用的食鹽及糖都是晶體結構的物質。

在地質上，最知名的例子就是我們周遭常

見的碳，它在地表環境常以軟滑、烏黑的

石墨形態存在，在地底 200 公里深處以下

則以堅硬而透明的鑽石存在。由石墨變成

成功大學地球科學系目前擁有的 1,000 公噸壓力機，大約 2 公尺高、1 公尺寬、0.5 公尺深。

壓力機主體　 電腦及控制系統

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期28

鑽石就是受溫度及壓力的影響，而且物理

性質截然不同。

地球內部

地球表面的礦物會由於環境不同而產

生結構變化，進而改變其物理性質，使得

地球內部的地震波及密度在不同深度有不

同的變化。1960年代以後，地球科學家把地球上最常見的礦物以高壓裝置加壓加溫

至地球內部的環境，觀察它們結構或成分

的改變。將近 60年的努力，這些高壓實驗的結果也大致解釋了地震波所建立的地球

內部模型。

地函的組成是以矽酸鹽及氧化物為主，

地函中那些震波速度或物質密度驟然升高

的深度，都代表矽酸鹽在這些深度產生了

結構變化。而所謂地核，應是鐵的合金，

從地震波所顯示的熔融外核及固態內核，

又可解釋地球磁場的生成機制及地球磁場

反轉的現象。

雖然可用儀器測量地熱及用源自地底

深處的岩石來判斷地溫梯度，但都局限在

很淺的深度，頂多至地下 200公里深，尚無法提供地球內部詳細的溫度與深度關係。

地球內部的溫度關係到地球的內部動力，

如層與層之間是否有物質交換？板塊隱沒

的深度？在地表所看到的岩漿，如夏威夷

島的融岩或冰島的火山岩漿，是從哪個深

度上來的？地核到底有多熱？這些資料攸

關地球過去的演化歷史，也可用來探討地

球將來的命運。

地球內部的溫度可由前述的高溫、高

壓實驗來模擬，再以地球物理觀測來探討。

目前科學家對地函的溫度有比較確切的認

定，但因實驗上要達到更深部的溫度及壓

力以目前技術非常困難，所以有關地核深

處的溫度及化學成分仍然有許多疑問，例

如到底是何種元素與鐵在地核形成合金？

這是現今實驗礦物學者與實驗岩石學者要

一起努力的方向。

地球表面的礦物會由於環境不同而產生結構變化，進而改變其物理性質，

使得地球內部的地震波及密度在不同深度有不同的變化。

石墨及鑽石是碳常見的同分異構物。石墨是由層狀

結構堆疊而成，因此具有軟滑的特性。而鑽石是三

度空間架構的晶體，又因其碳—碳鏈結是共價鍵，

使它成為地球上最硬的天然礦物。

石墨　 鑽石　

結晶構造　

實體

1 公分 　0.3 公分

29科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

地球之外又如何

雖然人類活動範圍以地球表面為主，

但對整個太陽系有太多想了解的未知。譬

如太陽系的八大行星中，木星及土星的體

積相當大，分別是地球的1,320倍及760倍，質量卻只有地球的 320倍及 96倍，因為這兩行星的成分以多量的氫及少量的氦等輕

元素為主，不像地球固體部分以氧、矽、

鎂、鐵、鈣等稍重元素為主。

在地球表面，氫及氦就我們所知都以

氣態存在，在木星及土星又是怎樣的情形？

從高壓實驗及天文觀測，可以想像我們在

木星及土星表面將呼吸氫—氦大氣，但可

能游泳或住在氫氦混合的大海中，在這大

海的底部是混氦的氫金屬。

研究物質在極限環境中的變化，提供

了對行星內部化學成分及物理狀態的了解，

那還有其他的應用嗎？

別忘了當初布立基曼發展高壓裝置是

為了研究物質在高壓下的物理行為，自此這

樣的研究一直延續至今，因此也發現許多

新現象。譬如我們所知道的水在日常生活

環境中的狀態有水、冰及水蒸氣，但在高

壓時就有許多冰相（已命名至 12相）；或

是原本所謂非金屬物質被施以高壓後能變

成超導物質，如硼。學者可藉由這些新現

象或新物質來檢驗現存的理論或發展新的

理論，因此探討物質在極限環境下的反應，

是開拓人類知識新視野的重要途徑。

圖片來源：種子發

龔慧貞成功大學地球科學系

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期30

礦物與博物館

■ 何恭算

礦物記錄地球形成與變遷的歷史，也提供人類經濟建設的物質基礎。博物

館透過蒐藏以保存珍貴的礦物標本，以實體展示與網際網路播送的方式，

傳遞蒐藏及其所隱含的科學意義，達到推廣礦物科學教育的目的。

大地的結晶

礦物是天然產出的均質結晶物質，具有特定的元素組成與

原子排列。組成地球的固態物質，除了地表上少數的土壤外，

絕大部分都是岩石，而這些岩石和多數土壤都是由礦物所構

成的。

自然界不同的礦物源自組成原子或離子種類的差異，或晶

體結構互不相同，但在適合的地質條件下，這些原子或離子所

堆砌的均質固體在空間上都能呈現出規則性和對稱性的結晶構

造，加上外部包圍著大小不同的光滑晶面，便形成各式各樣的

礦物晶體。由於礦物的單晶、連生晶體和集合體有如鬼斧神工

般地精雕細琢，總令人讚嘆大自然的神奇。

礦物世界裡的色彩是繽紛多樣的。在眾多礦物中，僅有少

數呈現單一色系，絕大多數因混入些許雜質，或晶體的一些缺

陷，也可能受到輻射作用影響，致使同種礦物出現多色現象。

我們熟悉的石英家族便因顏色不同而分成數個亞種，紫水晶、

黃水晶、煙水晶、薔薇石英都是常見的品種。礦物也經常出現

星彩、貓眼光或變彩效應，而部分礦物會發出螢光或磷光，更

令人嘖嘖稱奇。礦物因具有特殊的光學效應，常帶給人們無限

的驚喜與震撼，也總是吸引無數愛好者珍藏。

透明方解石又稱冰洲石，柱面

上的生長條紋清晰可見。

31科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

探索地球的利器

地質學家借助科技的進展，從礦物晶

體中尋找證據，來解決一些重要的地質科

學問題。茲僅就揭開岩石前世之謎、提供

生成年代線索、探討大地構造作用、解析

古氣候訊息等方面來說明。

每種礦物都有其穩定的溫壓形成條件，

從單一礦物或共生礦物群的出現與否，便

可判斷岩體形成的地質環境。以石英為例，

在自然界有許多同質異形體，其中柯石英

是高壓環境下的產物。在中國東部的秦嶺

—大別大陸碰撞縫合帶內，陸續發現超高

在眾多礦物種類中，僅有少數呈現單一色系，絕大多數因混入些許雜質，

或晶體的一些缺陷，也可能受到輻射作用影響，致使同種礦物出現多色現象。

每種礦物都有其穩定的溫壓形成條件，從單一礦物或共生礦物群的出現與否，

便可判斷岩體形成的地質環境。

壓變質岩石及礦物相後，證實大陸地殼物

質可隱沒到上部地函超過 100公里的深度，然後經由大陸板塊間的碰撞又被抬升折返

地表。這些超高壓變質帶成因史的建立，

以柯石英、微鑽石等超高壓礦物的出現，

和周遭變質岩內礦物群的紀錄，居功厥偉。

「時間」是探討地球演化歷史的重要

關鍵，它不僅揭露某種地質事件在何時發

生，也提供發生或演化速率等訊息。一般

常用碳十四、鉀—氬、氬—氬、銣—鍶、

釤—釹、釷—鉛、鈾—鉛、鉛—鉛等放射

性定年法，來確定礦物形成年代。而要選

用何種礦物做為定年材料？角閃石和雲母

在短波段紫外線燈照射下，螢光礦物發出耀眼的光芒。

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期32

因富含鉀和銣，適用鉀—氬、氬—氬或銣

—鍶法；含鈾的鋯石和獨居石可利用釷—

鈾—鉛法。2001年，科學家便利用鈾—鉛法在澳洲西部發現地球上最老的結晶物質

—44億年前的鋯石。岩石內組成礦物的成分若能靈敏反應

溫度及壓力變化，這些共生礦物便可做為

地質溫壓計，配合定年資料，就能解決所

謂的速率或途徑問題。在變質作用過程中，

隨著石榴子石的生長，其成分會與周圍共

生礦物發生離子交換而改變，因而造成成

分環帶的現象。利用環帶從邊緣至核心的

成分變化，可推導溫壓的變化曲線，進而

計算這一區發生變質作用的溫壓變化途徑。

二十餘年來，地質學家利用石榴子石的生

長環帶，成功推估世界主要山脈內岩層過

去深埋與抬升的溫度—深度途徑。

研究者從樹木年輪、冰岩心、黃土、

湖泊和海洋沉積物、孢粉化石、珊瑚、鐵

錳氧化物及洞穴碳酸鈣中，得到許多古氣

候的重要訊息。常見的鐘乳石是由霰石或

方解石等礦物所構成，具有樹木年輪般亮

層與暗層交替組成的同心微層構造。由於

這些碳酸鈣沉積時，化學成分會隨著環境

的變化而改變，因此透過鐘乳石、石筍等

洞穴碳酸鈣各微層的鎂／鈣、鎂／鍶、鍶

／鈣等微量元素比值及碳、氧等穩定同位

素組成的研究，便可獲得當時的溫度、降

水、植生等訊息。

經濟建設的基礎

人類利用礦物由來已久，從舊石器時

代的燧石、新石器時代的陶器，到青銅器

時代、鐵器時代，以至今日的高科技時代，

絕大多數製造器具與寶石飾品的金屬或非

金屬原料，都是從礦物中冶煉或製作而來。

因此人類進化的歷程就是一部礦物資源的

開發利用史。

時至今日，礦物的運用更加寬廣，不

但在食衣住行娛樂方面的日常用品，甚至

象徵財富的金銀珠寶，都與礦物息息相關。

就材料科學而言，礦物是製作金屬材料、

電子材料、陶瓷材料、複合材料最基礎的

原料。隨著科技的發展，以礦物具有的特

殊物理或化學性質，經由熔煉、鑄造、鍛

造、熱處理、粉末冶金等過程所製成的塊

材、粉體、膜材、纖維的成品或半成品材

料，提供更廣泛的用途。礦物應用所涉及

的範圍非常廣泛，大到一艘太空梭，小到

澳洲西部的變質礫岩隱藏著地球上最古老的鋯石

晶體

礦物應用所涉及的範圍非常廣泛，大到一艘太空梭，小到電腦內的一個小零件，

都可能是從礦物研發出來的材料所製成的。

33科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

電腦內的一個小零件，都可能是從礦物研

發出來的材料所製成的。

再以石英為例。石英是地表分布最廣、用途最多的礦物之一，品質稍差的可製造

玻璃、耐火材料、半導體材料等，品質高

的可以製作光學儀器、無線電及石英鐘表

的震盪器，甚至做為寶石飾品。

石英可提煉純矽，對微電子工業的重

要性不言可喻。把石英和碳一起加熱，得

到非常純的矽，再把一片純度高達 99.9999％的矽晶體裝在一旋轉的棒上，浸入熔融

的矽中，旋轉後慢慢拉起，矽便順著晶種

結晶方向長成巨大的單晶矽晶棒。矽晶棒

再經研磨、拋光、切片後，就成為矽晶片

（晶圓）。我們使用的手機、主機板、微

處理器、記憶體、數位相機、資訊家電等

生活用品，上面布滿積體電路半導體，而

積體電路的材料就是矽晶片。微小矽晶片

的研發成功，不但開啟積體電路的時代，

也奠定了微電子工業的基礎。

總之，礦物是人類倚賴的珍貴資源，

尤其在邁向尖端科技時代，以新材料發展

帶動歷史向前推進的潮流中，材料之母—

礦物—必會扮演更為吃重的角色。

博物館的礦物蒐藏

一座自然史博物館蒐藏並保存自然物

和人為物，旨在做為自然界演進和人類社

會發展的見證。

綜觀世界先進國家大型的自然史博物

館，都蒐藏並展示礦物標本。區域所產的

礦物是不可或缺的物件，民眾透過標本、

文字與相關影像或影片的介紹，對當地礦

物及礦產的特性、成因、分布、開採歷史、

經濟價值及對社會的影響，有更深一層的

認識。知名的大型自然史博物館更把蒐 赤鐵礦（上）和針鐵礦（下）都是煉鐵的重要原料。

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期34

藏的觸角擴及全球各地，美國史密森機構

（Smithsonian Institution）所屬的國家自然史博物館就是典型的代表，它以擁有豐富

的自然物聞名於世，它的礦物和寶石蒐藏

更是睥睨群倫。

在我國經濟發展歷程中，本土礦產也

曾扮演重要的角色。金瓜石與瑞芳礦區的

金礦創下年產量近 4,300公斤的紀錄，在遠東地區獨占鰲頭。台灣閃玉（又稱軟玉）

也寫下輝煌紀錄，在 1975年全盛時期年產1,461公噸，占當時全球產量的90％。然而，現今社會環保意識抬頭，礦區數量已屈指

可數，開挖規模日漸萎縮，欲取得代表性

或完整性的礦物標本更加困難，因此保存

的工作益顯重要。

礦物標本一向是國立自然科學博物館

（科博館）的重要蒐藏標的，歷經二十多

年的努力，目前累積數量已近 4,000件。標本主要來源是館內同仁到野外採集、教授

及民間業餘收藏家捐贈、國內外選購等。

在系列館藏礦物中，有採自台灣本土

的，也有蒐集自世界各地的。代表性的蒐

藏包括台灣本地的北投石、自然金、硫砷

銅礦、閃玉、澎湖文石，珍貴的鋰蒙脫石

模式標本，人見人愛的鑽石、紅寶石、藍

寶石、祖母綠、海藍寶石等原礦及其裸石。

此外，還有許多自然界難得一見的稀罕標

本，耀眼奪目的螢光礦物，氣勢非凡的碩

大晶體，以及形色俱佳的典藏珍品。

礦物蒐藏數位化

博物館對蒐藏品先分類、編目與鑑定，

建立完整的蒐藏管理系統，再送入蒐藏庫保

存與管理。近年來，隨著資訊科技的蓬勃

發展，不但改變人與人溝通的方式，同時

對知識的呈現與管理，以及資訊的散播與

儲存，產生巨大的變化。為了妥善保存國

家珍貴的自然標本和人文物件，並使蒐藏

資源能做有效的加值應用，國科會於 2002

科博館所珍藏的礦物標本，除規劃不同主題在現場展示與教學外，並努力把珍貴

的礦物資源做更有效的保存與加值應用，以提供學術界、教育界及社會大眾使用。

北投石是唯一以台灣

地名命名的礦物

35科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

年起推動「數位典藏國家型科技計畫」，

科博館是執行機構之一，礦物蒐藏數位化

就是重要的一環。

科博館所珍藏的礦物標本，除規劃不

同主題在現場展示與教學外，並努力把珍

貴的礦物資源做更有效的保存與加值應用，

以提供學術界、教育界及社會大眾使用。

在國科會經費支持下，積極發展典藏多媒

體資料庫、標本資源庫、知識庫為底層主

軸以利開發應用，並與岩石和化石數位化

成果，以及動物、植物、人類等領域的資

源庫連結，共同建構「自然與人文數位博

物館」，民眾可透過網際網路公開瀏覽、

查詢使用。

在礦物資源庫中，以礦物標本為主要

數位化素材，把典藏品拍照、掃描，建立

基本資料格式標準，並發展詮釋知識單元。

目前資源庫中依數位化類型與功能的不同，

分別建構了標本庫、知識庫、主題展示、

3D多媒體、台灣礦物及學習資源等單元。國內參與礦物數位典藏計畫的機構除

科博館外，尚有臺灣大學地質科學系和臺灣

博物館。數位典藏總計畫辦公室為提供使

用者檢索與搜尋典藏數位化成果，建置跨

碩大寶石級紫水晶洞是科博館典藏的珍品

專題報導

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期36

機構與跨主題的數位典藏聯合目錄（http://catalog.digitalarchives.tw），藉由網路媒體的傳輸，和全民分享國家重要資源。國家

典藏的數位化，可以有效提升知識的累積、

傳承與運用，是知識經濟的重要基礎。

礦物的形色之美吸引眾人目光，在讚

嘆大自然奧祕的同時，也觸動一探究竟的

好奇心。現今的博物館一方面融入最新的

科學發現或科技發展成為展示或教學的素

材，一方面引進現代科技的研發成果，提

升研究、展示與教學品質。博物館有豐富

的蒐藏為後盾，輔以多面向的展示手法及

寓教於樂的教學與學習環境，營造出普羅

大眾既感興趣又樂於造訪的地方。

科博館展場內的礦物影像帷幕是典藏數位化的成果

何恭算國立自然科學博物館地質學組

37科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

38 科學發展 2013年 2月│ 482期

食品包裝

一般報導

光線喚醒的記憶

■ 黃阿敏、林學賦

「一朝被蛇咬，十年怕草繩」，這是大家熟悉的恐懼記憶。然而，記憶如何

形成？記憶的烙痕又是什麼？這是一百多年來神經科學家一直在尋找的答案。有

人認為記憶的烙痕存在於神經細胞之間，也就是說，記憶的烙痕存在於一群特定

的神經細胞中。

記憶若是刻痕於一群特定的神經細胞，其充分且必要的條件是什麼？過去曾

有人把特定的神經細胞去除時，發現可以抹除恐懼記憶。也就是說，沒有了恐懼

學習的神經細胞，就沒有了恐懼記憶。這樣的證據提供了恐懼記憶的必要條件，

但是充分條件的證據仍然不足。意思是，若一群特定的神經細胞是恐懼記憶的烙

痕，那麼必須有一個模擬的實驗，當活化那群恐懼學習時的烙痕細胞，就能出現

恐懼記憶。

學習之後為什麼有記憶？

有人認為記憶的烙痕存在於大腦的神經細胞之間，

若是如此，做為記憶烙痕的神經細胞必須具備的充分且必要條件是什

麼？ 基因工程學和光學所組成的「光遺傳學法」提供了一個答案。

喚醒細胞的光遺傳學法，

這方法包含兩大元素：基

因工程學和光學。基因工

程學以特定基因來標定神

經細胞，由啟動子驅動這

特定基因的表達，這裡以

視紫質通道蛋白為代表

（左）；光學的部分，以

特定波長的光活化視紫質

通道蛋白，藉以活化神經

細胞（右）。

一般報導

齒狀回是研究情境記憶烙痕的理想腦區。齒

狀回是海馬迴的腦區之一，位在腦的邊緣葉。

當我們處在不同的情境時，會活化不同的齒狀

回神經細胞。

39科學發展 2013年 2月│ 482期

然而，在多達幾千億的大腦神經細胞

中，如何找到特定事件學習時所活化的那

群稀少的神經細胞，並且把它喚醒呢？發

表在 2012年 3月《自然》期刊的一篇文章，應用光遺傳學法（optogenetics）標定小鼠在恐懼學習時相對應的神經細胞，稍後再

用特定波長的光線來活化這些神經細胞，

小鼠就表現了害怕、不敢動的記憶行為。

這種方法不僅為大腦的研究提供了新的利

器，也回答了神經科學界長久以來的問題。

光遺傳學法是 2010年全世界科學家票選出來的年度風雲研究法，這方法結合了

基因工程學和光學，可用來觀察和控制一

組被基因標定的細胞。基因工程學的部分

用來標定細胞，光學的部分則用來活化被

標定的細胞。

用來標定細胞的基因有好幾種，其中

之一是視紫質通道基因。當神經細胞被這

基因標定時，其細胞膜上會表現視紫質通

道蛋白。光學的部分是以特定波長活化視

科學家以光遺傳學法來標定恐懼學習的相關細胞，並且利用光纖使它活化，

然後觀察恐懼記憶的行為。

紫質通道蛋白，當這蛋白活化時，通道打

開，造成神經細胞的去極化，而讓神經細

胞活化。科學家就以光遺傳學法來標定恐

懼學習的相關細胞，並且利用光纖使它活

化，然後觀察恐懼記憶的行為。

利用光遺傳學法來標定和恐懼學習相

關的神經細胞，要從哪個腦區著手呢？科

學家首先想到的是腦中和記憶息息相關的

海馬迴。海馬迴位在腦的邊緣葉，又可細

分為好幾個小區，其中之一稱為齒狀回。

許多研究顯示齒狀回跟我們的方位感有關，

當我們進入一個房間時，有小部分（2∼ 4％）的神經細胞會活化，進入另一個房間

時，又有另一小部分的神經細胞會活化。而

且這些細胞很忠實，當回到同一個房間時，

又是相同的神經細胞會活化。因此齒狀回是

一個研究情境記憶烙痕很理想的腦區。

如何找到齒狀回中記憶烙痕正在形成

的那群細胞呢？首先科學家先讓轉殖基因

小鼠全身（包括齒狀回）都帶有一個特別

光遺傳學法是 2010 年全世界科學家票選出來的年度風雲研究法，

這方法結合了基因工程學和光學，可用來觀察和控制一組被基因標定的細胞。

4140 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

食品包裝

一般報導

基因，這個基因有兩部分，前面是 c-fos啟動子，後面是四環黴素調控蛋白（tetracyclin transactivator, 簡稱 tTA）的基因。當小鼠學習時，神經細胞活性增加，c-fos啟動子於是啟動 tTA基因，而做出 tTA蛋白。

另外，利用立體定位儀把特殊重組病

毒注射到腦中的齒狀回。這種特殊病毒被

設計成帶有視紫質通道蛋白，且這蛋白的

表現受到 tTA蛋白的調控。當小鼠學習時，c-fos啟動子讓 tTA調控蛋白表達出來後，進一步讓視紫質通道蛋白做出來。也就是

說，學習時才活化的神經細胞會與眾不同，

其細胞膜上由於能表現出紫質通道蛋白而

被標定。

如何再度喚醒這群在學習時被視紫質

通道蛋白標定的神經細胞呢？做法就是在

小鼠的齒狀回埋入光纖，光纖所給予的特

定光波可以活化視紫質通道蛋白。視紫質

通道蛋白活化後，通道打開，造成神經細

胞去極化，而讓神經細胞活化。因此測試

記憶時，光纖啟動，神經細胞可再度活化；

光纖關閉，神經細胞就不被活化。如此藉

由光纖的開關，可在瞬間控制神經細胞的

活性，然後觀察小鼠的記憶行為。

要在學習的恰當時機標定特定的神經

細胞，還要再多加一個條件，就是在小鼠

的食物中給予四環黴素。四環黴素會干擾

tTA，使它無法發揮功能。小鼠吃了含有四環黴素的食物，齒狀回神經細胞膜上的

視紫質通道蛋白不會表達出來，細胞就不

會被標定。相反地，食物中不再給予四環

黴素時，tTA就會讓神經細胞膜上的視紫

標定及喚醒記憶烙痕細胞。讓轉殖基因小鼠全身帶有特別基因 c-fos-tTA，學習時，對應的神

經細胞活化，c-fos 啟動子讓 tTA 表現出來。tTA 再啟動視紫質通道蛋白基因，做出視紫質通

道蛋白，而把神經細胞標定起來（左）。測試記憶時，以光纖給與特定波長的光。光纖啟動

時，先前標定的神經細胞被活化，宛如被喚醒（右）。

4140 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

食品包裝

一般報導

然而，要利用光遺傳學法和情境式恐

懼制約來提供恐懼記憶的充分條件，科學

家們在方法上必須做些修飾。做法是先讓

小鼠在行為箱 A中待 5天，給予四環黴素食物，但是不給恐懼制約。在這種情形下，

視紫質通道蛋白不會表達，小鼠也不會呈

現害怕行為。

接下來的兩天，食物中不給四環黴素，

讓神經細胞上的視紫質通道蛋白有機會表

現。再接下來的一天，才在另一個行為箱 B中給予恐懼制約，讓小鼠在這行為箱中學

到聲音和電擊連結而感到恐懼。這樣的小

鼠不僅學到對電擊的恐懼，特別的是，負

責恐懼學習的神經細胞被視紫質通道蛋白

標定了。也就是說，恐懼學習的烙痕細胞

被標定了。

質通道蛋白表達出來，細胞就被標定起來。

因此，只要在食物中加入四環黴素與否，

就可以控制是否只在學習進行時才把對應

的神經細胞標定起來。

要用什麼行為模式來做學習和記憶的

測試呢？近二十年來，神經科學界最常用

的行為模式稱為恐懼制約學習。這種行為

模式的其中一種做法，稱為情境式恐懼制

約學習。這個方法在第一天把小鼠放在一

個行為箱 A中，給予電擊的恐懼制約，第二天讓小鼠回到行為箱 A，小鼠就呈現害怕不敢動的恐懼記憶行為。可是如果放在

完全不同的行為箱 B中，小鼠不會呈現恐懼記憶行為。許多實驗證實海馬迴在情境

式恐懼制約學習中扮演舉足輕重的角色，

採用這行為模式再適合不過了。

情境式恐懼制約。第一天小鼠在行為箱 A 中接受恐懼制約，學到在這行為

箱中會遭受電擊而感到害怕。第二天，若把小鼠放回行為箱 A，則出現害怕

不敢動的恐懼記憶行為。若把小鼠放至行為箱 B，則不會出現恐懼記憶。

4342 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

食品包裝

一般報導

接下來就是關鍵結果的呈現，連續 5天把小鼠放回行為箱 A，觀察小鼠的恐懼記憶行為。剛開始小鼠跟先前在行為箱 A中的情形一樣，並不會感到害怕。若透過

光纖給予特定波長的光線，令人興奮的結

果出現了—小鼠出現害怕不敢動的行為。

然而，若光線不在時，害怕的行為便不再

出現。光線再啟動，害怕行為又出現。也

就是說，用光線活化恐懼學習的烙痕細胞，

恐懼記憶的行為就出現了。

真的是因為活化恐懼學習時對應的神

經細胞，就引發恐懼的記憶行為嗎？科學

家做了很多的小心求證。首先，還記得在

小鼠齒狀回埋入的光纖嗎？如果透過光纖

以時間軸呈現學習和記憶過程中神經細胞被標定及活化的時機。小鼠在行為箱 A 中待 5 天，給予四環黴素飲

食，但是不給恐懼制約。接下來兩天，食物中不給四環黴素，讓神經細胞上的視紫質通道蛋白有機會表現。

再接下來一天，在行為箱 B 中給予恐懼制約，讓小鼠在這行為箱學到情境和電擊連結而感到恐懼。最後 5 天

恢復四環黴素飲食，並且在光纖啟動或關閉下進行記憶測試。

激活的不是恐懼學習的烙痕細胞，那麼也

不會有恐懼記憶的行為出現。例如，在一

模一樣的情境下，如果不給電擊，即使有

神經細胞被基因標定，但和恐懼學習無關，

那麼光纖即使激活這些細胞，也不會有恐

懼記憶。

再者，如果在另外一個情境學習，即

使神經細胞被標定，這些細胞雖然也能被

光纖激活，但不會造成恐懼記憶。也就是

說，特定的情境學習活化特定一群的神經

細胞，不會混淆。

這研究利用光遺傳學法首度提出了恐

懼學習的充分條件—直接活化一群參與記

憶形成的細胞，就能誘發記憶行為。這個

4342 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

食品包裝

一般報導

透過光纖給予特定波長的光線，小

鼠出現害怕不敢動的行為。光纖關

閉時，害怕的行為便不再出現。光

纖再啟動，害怕行為又出現。

深度閱讀資料

Liu, X., S. Ramirez, P.T. Pang, C.B. Puryear, A. Govindarajan, K. Deisseroth, S. Tonegawa (2012) Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. Nature, 484 (7394), 381-385.

研究呼應了過去的結果，告訴我們一群特

定的神經細胞是記憶烙痕的細胞基礎，而

且特定的學習有特定的細胞來因應。

然而學習有不同的面向，整個學習過

程中有不同的線索都足以誘發記憶，完整

的記憶可能由幾個不同的記憶烙痕共同表

徵。光遺傳學法提供了一個利器，在未來

或許可以幫助科學家逐一定出記憶烙痕的

各部分，以及它們之間的相互關係，而讓

我們對於整個記憶烙痕有更全盤的了解。

黃阿敏、林學賦成功大學醫學系生理學科暨生理學研究所

學習有不同的面向，整個學習過程中有不同的線索都足以誘發記憶，

完整的記憶可能由幾個不同的記憶烙痕共同表徵。

44 科學發展 2013年 2月│ 482期

一般報導

一般報導

■ 陳宗嶽、王廷瑜、徐浩軒

恐怖的病毒殺手席捲石斑魚養殖業，除了大量病發死亡的魚隻外，還

有一群看不出症狀的病毒帶原者，隨時威脅著倖存的魚隻。想要阻止

病毒擴散，首先就是找出它們到底躲在哪裡，以及透過什麼途徑傳染。

不斷擴散的病毒殺手

石斑魚由於肉質細嫩厚實、味道鮮美，是台灣常見的桌上佳餚，深受饕客

喜愛。石斑魚的市場一直都供不應求，是目前所有養殖業中經濟價值最高的魚種

之一，更在「海峽兩岸經濟合作架構協議」中被列在早收清單中，政府也積極塑

造台灣為石斑魚王國。

由於台灣地狹人稠，養殖業者多半採取高密度飼養，一開始的確可以得到

相當豐碩的漁獲量，一度成為全球最大出口國。但隱藏在這看似亮眼的成果背

後，病害卻逐步入侵各個養殖場，揭開了石斑魚病害傳播肆虐的序幕。

目前石斑魚病害中，以神經壞死病毒這一殺手級病毒最為嚴重。可怕的地

方在於病毒感染的途徑多樣化，擴散的速度非常快，且感染後在短時間內就可造

成魚苗大量死亡，因此防不勝防，往往發現病毒時，魚隻已回天乏術。

石斑魚的恐怖病毒殺手

目前石斑魚病害中，以神經壞死病毒最為嚴重。

可怕的地方在於感染的途徑多樣化，擴散的速度非常快，

且感染後在短時間內就可造成魚苗大量死亡。

45科學發展 2013年 2月│ 482期

引起神祕症狀的元兇

日本長琦市水產中心以人工水產養殖

方式，成功大量繁殖鸚哥魚。1984年，首次爆發感染病毒的病例，接著連續三年都

如此，共損失約 9百萬尾的魚苗及稚魚，幾乎占總產量的 100％。因這種怪病而死亡的大都是體長 6∼ 10mm的魚苗及 13∼25mm的稚魚，成魚也會感染，但死亡率較低。明顯的病徵則是體色變深、喪失平衡

能力、不正常地迴旋在水面上，最後沉入

水底死亡。

1990年以來，也發現這種病毒造成不同魚種感染的病例，目前已知幾乎可感染

所有的海水養殖魚類。此外，組織病理學

的觀察發現，在神經組織內充滿空泡及普

遍性壞死的現象。進一步透過病毒基因體

的研究，更證實了這種怪病是由一種很小

的病毒所引起，也就是目前在石斑魚養殖

業瘋狂散布的神經壞死病毒。這種病毒被

歸類在野田病毒科下的β野田病毒屬，感

染對象幾乎是全部的海水魚類。

石斑養殖業的淪陷

1993年，台灣育苗技術尚未成熟，養殖用的魚苗多半購自東南亞國家野生捕撈

的種苗。同年在台灣南部，首次發現養殖

的金目鱸苗有神經壞死病毒感染的病例，

隔年也證實石斑魚苗受到這一殺手病毒感

染。病毒在石斑魚養殖業中，已埋藏下了

一顆不定時的炸彈。

其後隨著養殖技術的快速進步，台灣

開始採取高度密集式的養殖，再加上育苗

技術的突破，短短幾年，石斑魚養殖馬上

就躍升為全世界主要產出的國家之一。但

就在這時，殺手病毒趁勢崛起，密集式養

殖更加快了病毒傳播的速度，加上眾人對

安全養殖環境的忽視，更促使病毒擴散至

其他地區。感染的範圍很快就擴及全台，

爆發了神經壞死病毒導致的重大疾病蔓延。

病毒的侵略周期

病毒是一種比細菌還小的病原體，必

須用精密的電子顯微鏡才能看到。它是一

種構造簡單的物質，主要由蛋白質（外殼）

及一部分的遺傳物質（去氧核醣核酸或核

醣核酸）所組成，沒有細胞那樣的獨立運

作機能，只可在感染後在細胞內進行複製

及活動。一般來說，它的活動都在感染的

細胞內進行，主要分為附著、入侵、脫殼、

合成、組裝、釋出，而這些都是利用感染

細胞本身的代謝工具來完成。

以神經壞死病毒為例，它的生活史也

是如此，與附著細胞接觸並附著後，接著

侵入內部，開始指揮細胞為它工作，製造

一切病毒組裝所需的材料，最後組合成一

個新病毒。而當細胞無力再為它工作時，

這些新合成的病毒就會釋出，接著感染下

一個健康細胞。如此周而復始，很快就使

全部的細胞過勞死，導致魚體生理機能開

始不正常，最終死亡。

病毒擴散的原因

病毒自己不會移動，只能藉著空氣、

水等環境因子或生物體為媒介，到處侵略

生物體，並在個體間傳染。如此不斷地循

環，直到所有可感染的對象死亡。

4746 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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在石斑魚養殖過程中，因病毒所造成

的病害，除了傳染以及發病的速度非常快

外，目前並沒有有效的治療方法，因此對

業者造成非常嚴重的經濟損失，也成為限

制養殖業發展的主要因素之一。

在沒有有效治療方法的情況下，如何

阻斷病毒的傳染途徑就變得更為重要。台

灣的石斑魚養殖從種苗培育、魚苗到成魚

的各階段，多採用高密度的集約式養殖，

造就了一個對病毒傳播很有利的溫床。加

上養殖過程中，卵、魚苗在各地區間的頻

繁交易，運輸的過程也間接幫助病毒到達

新的養殖場，展開新一波的諾曼地登陸並

快速地發動襲擊。

防堵病毒登陸

病毒有它存活的時間以及存在的特定

位置，這都影響它可以傳染的途徑。簡單

地說，病毒傳染的途徑可分為垂直傳染及

水平傳染。垂直傳染主要由母體傳染至魚

卵，水平傳染則是病毒藉環境因子傳染至

個體。這兩種傳染途徑也是病毒使石斑魚

產業鏈快速崩壞的致命途徑。

由於病毒的水平傳染是個體與環境間

的交互作用，病毒入侵就像是經由海上登

陸的部隊，需要適當的載具及登陸點，因

此了解病毒的可能傳染媒介及入侵部位就

非常重要。

水產養殖的環境是水所構成的立體空

間，魚隻跟水的直接接觸對病毒來說就是

一個絕佳的傳染媒介。此外，在養殖環境

中，例如使用的工具，餵食的餌料生物，

環境中的其他生物如鳥類、海蟑螂等，也

可能是病毒利用的傳播工具。

神經壞死病毒生活史簡圖

在沒有有效治療方法的情況下，如何阻斷病毒的傳染途徑就變得相對重要。

在石斑魚養殖過程中，因病毒所造成的病害，除了傳染以及發病的速度非常快外，

目前並沒有有效的治療方法，因此成為限制養殖業發展的主要因素之一。

4746 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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魚卵中垂直傳染，更會隨著魚卵發育而進

行病毒擴散的複製工作。

要如何阻斷可怕的殺手病毒藉由母體

傳給子代，代代在石斑體內游擊破壞呢？

那就必須做嚴密的組織重整，也就是育種，

選育出無病毒帶原的種魚，就能讓這一問

題徹底解決。

防堵病毒入侵守則

因此，掌握病毒傳染途徑的知識非常

重要，可依循這些寶貴資訊而發展出有效

的病毒防治策略。

由成功大學團隊研發的微流體晶片系

統，可在短時間內完成大量的檢體檢測，

並把這技術應用在神經壞死病毒的流行病

學研究中，針對病害嚴重的南台灣地區，

一一調查養殖環境中可能的病毒傳播媒介，

徹底破解病毒留下的行蹤。在研究中發現，

病毒居然可藉由鳥類的糞便傳播，對於半

室外或全室外的養殖環境來說，病毒就可

能由這途徑造成養殖場感染。不過，雖有

了阻截病毒的新線索，以及防堵病毒可能

的登陸載具，但確切的病毒侵入點仍有待

釐清。

防堵病毒的游擊戰

垂直傳染是通過母親的直接傳染方式，

就像是病毒入侵的游擊部隊透過內部滲透

而破壞。這個傳染途徑最早由日本 Arimoto等人，從條紋鰺種魚的卵巢、受精卵，以

及由魚卵孵化出的魚苗中檢測發現。當母

魚體內有神經壞死病毒存在時，在所產出

的卵以及孵化出的魚苗中同樣可發現病毒

的蹤跡。這個發現宣告神經壞死病毒可藉

由種魚進行垂直傳染。而成功大學團隊再

進一步證實，神經壞死病毒可包覆在石斑

台灣神經壞死病毒的嚴重發病區域

目前常用的養殖方式：（A）全室內養殖、（B）半室外養殖、（C）全室外養殖。

全室內養殖可避免環境中如鳥類所攜帶的病毒侵襲。

4948 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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針對水平傳染的防治，就應對飼料營

養、環境維持做全方位系統性的規畫。目

前已知神經壞死病毒主要的誘發因子是高

水溫（夏季）、高飼養密度、低溶氧，因

此應該避免高溫或水質不良，飼養的密度

也應正確地控制。此外，定期清潔及消毒

設備與工具，引進的魚苗應先通過檢測，

以徹底阻止病毒的侵入。若爆發疾病，則

應確實嚴格地進行病魚的隔離及移動，以

及清潔及消毒所使用的器具與設備，並妥

善處理發病魚隻屍體，避免二度感染。

對於垂直傳染的防治，最根本之道還

是針對種魚採取無病毒的篩選管制，例如

利用高靈敏的分子檢測技術淘汰帶病原的

種魚。成功大學生物科技研究所的團隊發

展出利用魚鰭進行活體檢測的方法，有別

於過去傳統的檢測流程需要犧牲魚隻，把

石斑魚防疫知識帶入了另一時代。

對於魚卵，目前廣為採用的方法是以

臭氧處理表面。但近年發現病毒也存在於

魚卵內部，表示病毒可能在魚卵初形成之

時，就已進入魚卵完成了垂直感染。

了解病毒可能的傳染途徑，就可提供

我們突破的線索，擬定防治病毒病害的策

略，預防所有垂直及水平傳染的可能性。

另外，也應傳達相關的防疫訊息教育養殖

業者，共同積極解決病毒入侵問題，避免

魚隻持續受到病毒的威脅。

病毒可躲藏在魚卵內直接導致魚苗受害，並侵襲

其他魚苗。左圖是石斑魚的魚卵，右圖是石斑魚

的魚苗。

水平傳播

石斑魚進出口檢疫

選擇無病菌帶原的石斑魚苗

選擇無病菌帶原的生物餌料

養殖環境的防疫控管

病毒感染

垂直傳播

擬定防治病害策略

篩選無病菌帶原的種魚

杜絕病毒傳染的方針

了解病毒可能的傳染途徑，就可提供我們突破的線索，擬定防治病毒為害的策略，

預防所有垂直及水平傳染的可能性。

陳宗嶽、王廷瑜、徐浩軒成功大學生物科技研究所

4948 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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50 科學發展 2013年 2月│ 482期

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鋰電池

■ 柯賢文

電池的功能在於把活性物質中的化學能，經由電化學反應轉換成電能。拉克

蘭奇（Le Clanche）在 1860年首先以鋅汞合金為陽極接於負端，以塗在炭棒上的二氧化錳為陰極接於正端，並以氯化銨溶液為電解液，製成了第一個實用的電池，

俗稱拉克蘭奇電池（Leclanche cell）。一百多年後的今天，使用最多最普遍的仍然是同樣原理的拉氏乾電池。

隨著科技的進展，電子儀器、武器系統、太空探險等的發展都朝著更精細及

超高功能的方向猛進，系統負責人絕對不希望昂貴的設備因為使用便宜的電池而

失效，也不會希望電池占去太多的寶貴空間及重量。因此尋找單位體積或單位重

量具有高能量密度的電池就成為必然的趨勢，而高放電電流密度也是需求目標之

一，鋰電池的研發也因應而生。

經過 30年來的努力，鋰電池研發成果已經相當輝煌，由早期不可充電的一次電池發展到已經商業化可充放電的二次鋰電池，甚至往大動力的電動車研發。

由於鋰電池的發展有如電子產業般日新月異，本文僅就鋰電池的基本原理加以討

論。

所謂鋰電池，實際上包括了所有以鋰或其合金為負極的一系列電池系統，種

類非常繁多，它們的主要優點包括：電壓高—未通電流時的開路電壓可高達3.9 V，放電時則在 3.0 V左右，是傳統乾電池的 2倍；能量密度高—金屬鋰質輕、電壓高，通常有乾電池 2∼ 3倍的能量；適用溫度範圍廣—不使用水溶液，電解液的溫度範圍很寬廣，攝氏－ 40∼ 70度都可以放電；功率高—鋰高溫電池可以高達每平方公分 1安培的超高電流密度放電；儲存壽命長—由於化學特性及密封需求，壽限都在 5至 10年或更長。

電壓高和質量輕使鋰電池的能量密度在先天上就占有很大的優勢，

鋰電池實際上是一系列以鋰為負極活性材料的電池，

實驗室中有百種以上的組合，但實際可行的只約十多種。

51科學發展 2013年 2月│ 482期

基本原理

電化學反應是一種藉由通過電流在電

極板上發生的化學反應。一個電化學反應

槽的基本構造，包括正極、負極及電解液。

只有一個反應槽的稱為單元電池（cell），由兩個以上的單元電池串聯或並聯而成的

就是組合電池（battery），大型電池電源如電動車或備用電力等，都由很多單元電池

串並聯組合而成。

電池放電時，正極發生還原作用，吸

收電子，進行陰極反應；負極發生氧化作

用，放出電子，進行陽極反應。充電時，

正負極剛好發生相反的反應。習慣上電池

只由外端分正負極，正極在放電時進行陰極

反應，充電時進行陽極反應。本文都以正負

極敘述，不使用陰陽極反應，以免混淆。

電解液的主要功能是在電池內部以離

子的形態提供電流的通路，它必須有良好

的導電性，以免產生太大的內電阻。為了

節省空間，電池的正負極須緊密接觸，因

此兩極之間必須有一隔離層，以免短路引

起自行放電反應。

基本的電化學反應可分為熱力學、動

力學及質量傳送三個問題來討論。動力學

探討電流通過時產生阻力的極化現象，質

量傳送則牽涉到陰、陽離子在兩極板之間

傳送的問題。熱力學則在電化學上論述化

學能轉換為電能之間的關係。 打開電動勢表，Li+ + e－ → Li的陽極

反應電動勢高達 3.0伏，排列第一。再查金屬鋰的物理化學特性，密度是 0.53克／立方公分，只有水的一半多一些。高電壓和

鋰電池系統的理論能量密度及平衡電壓

反 應 式 電 壓 能 量 密 度 （伏特） （瓦時／公斤） （瓦時／公升）

2Li + F2 → 2LiF 6.05 6,254 6,443

4Li +2SOCl2 → 4LiCl +SO2 +S 3.67 1,477 2,005

Li + V2O5 → LiV2O5 3.50 497 1,397

Li + MnO2 → LiMnO2 3.50 1,000 3,097

2Li +AgCrO4 → Li2CrO4 +2Ag 3.31 513 2,088

2Li + 2SO2 → Li2S2O4 2.91 1,098 1,353

4Li + CF4 → 4LiF + C 2.8∼ 3.3 1,992 2,053

2Li + I2 → 2LiI 2.77 556 1,920

2Li + S → Li2S 2.18 2,550 2,826

6Li +Bi2O3 → 3Li2O + 2Bi 2.04 646 2,478

4Li + FeS2 → 2Li2S + Fe 1.75 1,273 2,474

2Li +Cu2S → Li2S + 2Cu 1.74 539 1,714

* 假設反應物及生成物都是固態

5352 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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質量輕使鋰電池的能量密度在先天上就占

有很大的優勢。實際的電池重量包括外殼、

電解液、導電體、隔離紙等的重量，能量

密度往往不到理論值的一半。

鋰電池系統

鋰電池實際上是一系列以鋰為負極活

性材料的電池，實驗室中有百種以上的組

合，但實際可行的只約十多種。由於金屬

鋰接觸水會發生激烈的反應，因此電解液必

然是非水溶液，一般使用有機溶劑，如氰

化甲烷（CH3CN）、二甲基亞碸（（CH3）2

SO）、碳酸丙烯酯（（C3H6）CO3）等。此

外，金屬鋰質軟，不能直接當負極板使用，

通常是壓在鎳網上做為負極。電池的組裝

必須密封，以免大氣的水分滲入。現依鋰

電池特性分成下列五大類討論。 液態正極　乍看有點奇怪，因為一般

正負極材料都是固態，這類電池的特性是

正極活性物質是液態，而且本身可以是電

解液的溶劑，如硫化亞醯（SOCl2）。它也

可以是氣體溶於溶劑中，如二氧化硫（SO2）

溶於氰化甲烷（CH3CN）。這種電池有賴於在金屬鋰上形成一層保護膜，以阻止自

行放電或化學反應的繼續發生，但放電時

保護膜就自行破裂，以利反應進行。

常見的正極板是炭粉壓在鎳網上，炭

粉的優點是有很大的表面積，能以較大的

電流放電。

這種電池的放電電壓可高達 3 伏以上，能量密度及放電功率都很高，適用溫

度也很廣，但具相當的危險性。如果內部

短路放電或過熱會造成爆炸，威力有如一

個小手榴彈，非常可怕。以鋰／硫化亞醯

電池為例，它可以在攝氏零下 40 度正常放電，且在惡劣的寒帶氣候仍可使用。

一個 D-型電池的電容量高達 20安培小時，大約是高性能鹼性電池的兩倍，能

量則是四倍。自行放電率每年小於 1％，因此可存放 10年以上。大容量電池有些高達 20,000安培小時，如 MX飛彈發射控制室的備用電源。小型的電池可使用於

GPS、遙測、石油探勘、緊急救難等，使裝備的重量大為減輕，這類電池在軍事上

的用途特別廣。

400

300

200

100

-40 -20 0 20 40 60

能量密度

（W

H/K

g）

溫度（℃）

Li/SoCl2　

Li/SO2

Mg/MnO2 and Zn/alkaline/MnO2

Zn/HgO

Zinc-carbonLead-acid

Ni-Cd

伽凡尼電池

氧化 　還原氧化 　還原（釋出電子）

陽極 陰極 陽極 陰極－ +

e-

e-

電解槽

（收集電子）

鋰電池和傳統電池的能量密度比較（資料來源：

Handbook of Batteries & Fuel Cells）

伽凡尼電池與電解槽都是一種電化學反應，前者輸

出電能，後者則需由電源提供電能。

5352 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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一般報導

合成的二氧化錳又可分為化學級及電化級。

天然錳粉因不同的產地而有不同的成分及

特性，品質不易掌握，只有低級的乾電池

才使用。電化學級二氧化錳有很大的空孔

度及較低的極化現象，在一定的空間內可

以壓縮較多的錳粉且維持電極特性，是實

用的正極材料。

電解液的配製都以適量的鋰鹽溶於有

機溶劑中，單一的溶劑很難符合需求，通

常使用有機混合溶劑。目前大多使用碳酸

丙烯酯和 1,2－二甲基乙二醚的混合劑，電

固態正極　和一般水溶液電池一樣，

正極活性材料是固態，其能量密度及放電

功率都比第一類小，但較安全，因此使用

於一般消費電子產品。二氧化錳是常見的

正極材料，做為電池材料的特性已為人們

熟悉，便很自然地應用在鋰電池系列中。

鋰錳電池於 1980年初商業化，其優越性能包括：電壓高、適用溫度範圍廣、儲存壽

命長、安全可靠、容量大等。

二氧化錳實際上是一種相當複雜的化

合物，可分為天然錳粉及合成錳粉兩種。

鋰電池的分類及性能

分類 電解質放電功率

容量（安時）

正極材料

電壓（伏特）

特性

液態

正極

有機或

無機物

中高

功率0.5∼ 20,000

SO2

SOCl2

SO2Cl2

3.03.63.9

高功率、高能量密

度、可低溫放電、壽

限長、高安全性

固態

正極有機物

低中

功率0.03∼ 5.0

V2O5

AgCr2O5

MnO2

-CF-S

Cu2SFeS2

CuOBi2O3

3.33.13.02.62.21.71.6

*1.51.5

中高能量密度、容易

封裝、少安全問題

固態

電解質固態 極低 0.003∼ 0.5 P2VP- I2 2.8

壽限長、穩定、不自

行放電、安全性高、

電流甚低（微安培）

熱電池 熔鹽 極高 —

WO3

CaCrO4

V2O5

FeS2

2.4∼ 2.62.2∼ 2.62.2∼ 2.71.6∼ 2.1

預存式電池，使用在

武器系統上，壽命

10 ∼ 20年

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食品包裝

一般報導

解液的導電鹽是過氯酸鋰（LiClO4）。

鋰錳電池是最普遍且價格最低的鋰電

池，輸出電壓是 3.0伏，外表主要有圓柱型及鈕扣型兩大類。鈕扣型鋰電池的規格已

標準化，通用的標示是 CR-xxxx（數字），前兩數字表示直徑，後兩數字表示高度，

單位都是 mm，如 CR-1220鋰電池直徑是12 mm，高度 2.0 mm。它們廣泛使用於一般消費性電子器材，如計算機、計算器、

數位相機、電子表、電腦記憶體電源等。由

於具有高能量密度、較高功率及長壽命的優

點，已逐漸取代傳統的銀鋅鈕扣型電池。

其他固態正極的鋰電池尚有 Li／(CF)n、

Li／Ag2CrO4、Li／V2O5、Li／FeS2 等系列，

但少見於 3C 電子用品。固態電解質　電解質必須只能傳送離

子，一般都是液體，但固態物質也可以傳

送離子，因而可成為固態電解質使用於電

池中。早在本世紀初就有人發現離子也可

以在固態物質內傳動而導電，其導電係數

很小，不到 10_8／(Ω-cm)，因此大多適用

於微安培的低電流電池，優點是壽命可長

達5∼10年或更長。1960年代先後發現AgI及β-alumina

（鋰、鈉、鉀或其他導電離子和氧化鋁陶瓷

形成的錯合物）兩系列的固態離子導體，導

電係數在室溫下高達 0.1 至 0.001／(Ω-cm)，幾乎可以和水溶液電解液相比。但缺點是

電子導電度也很高，導致兩極之間的自行

放電，因此才把重點移到以鋰離子導電的

固態電解質，其中尤以碘化鋰系列最受注

目，即Li／LiI／P2VP-I2 電池。正極材料採用碘的聚 -2-乙烯吡啶碘

錯合物（poly-2-vinyl-pyridine-iodine，簡稱P2VP-nI2），它是一種紫黑的黏狀物。

P2VP的化學式是 CH2-CH[C6H5N] n，分子

量大多在 104至 105。P2VP-nI2 中的n代表碘

和2-乙烯吡啶的比（I2／2VP），其數值由1 至 8。n值越小，錯合物黏度越大。反應生成物碘化鋰在攝氏37度時的導

電係數約為 5×10_7／(Ω-cm)，它不但是

電解質，而且可以當正負極的隔離層，因

此正負極不會短路。放電後，正極材料的

碘含量漸漸減少，P2VP-nI2也慢慢變硬。

同時碘化鋰層變厚，電池的內電阻也隨著

提升，輸出電壓也漸漸降低。這個現象使

鋰碘電池非常安全可靠，不會有因兩極接

觸而引起短路的顧慮。

電池的放電曲線可以分為 3個階段，第一階段放電電壓平穩地減低，第二階段

2Li = 2Li+ + e﹣ e﹣＋ I2 = 2I﹣　

　電解質（隔離層）

e- 　

Li（－）　

LiI　 P2VP-nI （＋）

2Li + I2 = 2Li+ + 2I﹣　

2LiI　

2

鈕扣型鋰電池的規格已標準化，通用的標示是

CR-xxxx（數字），前兩數字表示直徑，後兩數字

表示高度，單位都是 mm，如 CR-1220 鋰電池直

徑是 12 mm，高度 2.0 mm。

鋰碘電池的電化學反應示意圖，碘化鋰有電解質

及隔離層的雙重功能，沒有內部短路的顧慮，非

常安全。

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一般報導

和 NaCl 水溶液只有 0.2(Ω-cm)_1。因此利用

熔融鹽當電池的電解質有明顯的優點，即

可以用比較大的電流密度放電。

熱電池的負極材料大多是鈣或鋰合金，

也有鎂合金，正極是去極劑、電解質和凝

結劑混合而成的薄餅，最上層則是熱片，

被激發後產生的熱量足以熔融固態電解質

薄餅。在放電過程中，薄餅必須維持約攝

氏 500度的熔融狀態，電池須有良好的絕熱層保護，因此放電時間不能持久，而且

必須一次用完。由於武器系統（引信、火

箭、飛彈、地雷等）的電源必須有瞬間大

功率放電及能長時間儲存的特性，這種電

池非常適合。

所謂預存式電池（reserved battery）是在沒有激發之前不能放電，它們有很長的

存放期限，熱電池和預存式銀鋅電池都是，

電池是包裝在完全氣密的鋼罐內，非常穩

定。熱電池的主要優點如下：存放期限很

長，可以達 10年以上；激發時間短，可以在 1秒內提供高功率放電；可靠度高，並可以在惡劣的環境下放電，包括震動、溫

度等；不須維護，可以附在武器系統內長

的放電電壓急速下降，顯示去極化劑的碘

含量已經快用完，這是一個黃燈的警告訊

號，這時的開路電壓仍可維持在 2.8V。到了第三階段，碘已經無法提供進行電化學

反應，這時放電和開路電壓都急速下降接

近零。

醫生會建議心臟跳動嚴重不規則的病

患植入一顆心律調整器，以控制心跳正常。

它的電源就是鋰碘電池，可維持 10年，以避免不必要的開刀取換，且大小能配合心

律調整器置入人體。鋰碘電池必須絕對氣

密，以避免電池內的化學物漏出傷害人體，

或體液滲入而破壞電池。由於用途特殊，

這些電池的基本要求就是容量，以及品管

非常嚴格，每一個電池都有序號，所有材

料及封裝人員和日期都可追蹤。

熱電池　熱電池對很多人而言是陌生

的，因為在數百度的高溫下進行電化學反

應有點奇怪。鹽在固態時不能導電或導電

率很低，但是熔融鹽的導電係數比水溶液

電解質還大一個數量級以上。具最低熔點

（eutectic point）的 LiCl-KCl 混合熔鹽在攝氏 352 度的導電係數是 2.1(Ω-cm)

_1，而飽

心律調整器，內有可使用 10 年的鋰碘電

池，省去開刀換裝的風險。（圖片來源：

http://www.healthcentral.com/heart-disease/h/benefits-of-pacemaker.html）

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達 10∼ 20年仍可完整放電。熱電池因負極材料的不同而分成鈣

系（Ca／LiCl-KCl／WO 3、Ca／LiCl-KCl／CaCrO 4）及鋰系（Li(M)／LiCl-KCl／FeS2）兩大系統，它們都可以在不到

1秒內激發，且電流密度高達1安培／平方公分以上。為了降低使用溫度，幾乎所有

的熱電池都利用LiCl-KCl最低熔點混合鹽，其莫耳成分是61％ LiCl，熔點是攝氏352度。除了熔點低之外，氯鹽還有不分解、

價格便宜等優點。

正極材料俗稱去極劑（depolarizer），因其可以減低陰極的極化現象。正極材料

的選擇必須注意有較高的電位，電解質的

匹配，以及在熔鹽溫度下須穩定。熱源實

際上有「熱紙」及「熱片」兩種。熱紙是

由火藥級的鋯及鉻酸鋇的細粉混合而成，

粒徑在 1∼ 10微米之間。填加劑有陶瓷粉、石棉纖維等。

乾燥後的熱紙非常容易燃燒，燃燒速

率高達 10∼ 15公分／秒，而且熱含量約1,675焦耳／克。燃燒後只剩一些灰，電阻很大，因此須附有鎳或鐵的導電片。熱片

則由過氯酸鉀及過量的細鐵粉混合而成，

並壓成薄餅狀。過量的鐵粉可以使燃燒後

的熱片維持原狀，以保存熱量。剩餘的鐵

粉可以導電，不須另加導電片。熱片的燃

燒速率比較慢，沒有熱紙敏感，熱含量由

920至 1420 焦耳／克，視鐵粉的多寡而定。負極材料大多採用 20％鋰鋁合金粉末壓製而成，因其放電效率良好，但有凝結成球

的問題。

熱電池是一種非常專業的電池，絕大

多數使用在武器系統中，或緊急特殊狀況

下的用電。單元電池大多是圓柱型，但組

合的電池組須配合武器系統可用的空間而

設計，其形狀不一而足。

鋰二次電池　一次電池不可充電，

用完就丟；二次電池則可充放電並重複使

用。最普遍的二次電池是鉛酸電池和鎳鎘

電池，前者太重，後者則有鎘汙染及充放

電記憶問題。為了解決上述問題，鋰二次

電池一直是研發的重點。但其最大的問題

是找不到適當的電解液，因此無法有效

運送鋰離子，使其充電還原成可放電的

負極材料鋰金屬，而且不會穿破隔離層

引起短路。

熱電池結構示意圖，由單電池堆積串聯，其間有

熱片加熱，可激發使固態鹽瞬間熔化放電。

圚柱型熱電池，多個單元電池串並聯後，可做

為武器系統的大電源。（圖片來源：中山科學

研究院）

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一般報導

由於鋰離子二次鋰電池具有高能量密

度、較高功率及長壽命的優點，充放電次

數也可達數百次以上，而且沒有如鎳鎘電

池的記憶效應及環境污染問題，因此已取

代傳統二次電池，如鎳鎘或鉛酸電池，使

用在 3C的電子用品如手機、筆電、相機等。但為了追逐高利潤，廠商往往製造成只配

合特定商品的形狀，不能互相替換，造成

使用者不少麻煩。

為了減碳環保，電動車或汽電混合車

受到很大的期待，其中最大的問題是電池

重量及充放電。傳統的鉛酸或鎳鎘電池的

充放電不是問題，但重量難以承受，且有

早期發展的鋰二次電池較為人熟悉的

系統有 Li／MoS2、Li／LiAsF6、Li／SO2、

Li／MnO2、Li／polypyrrole 等，但都因不穩定而暫停。直到1992年新力（Sony）成功開發出鋰離子電池，以一種鋰離子和凝

膠聚合物的混合物做為電解質，改善了電

池的充放電次數及安全問題，鋰離子二次

鋰電池才正式商業化。

常見鋰離子二次鋰電池的負極是炭粉，

正極是鋰鈷氧化物、磷酸鋰鐵或鋰錳氧化

物，典型電解液則是無配位的鋰鹽如 LiPF6

、LiAsF6、LiClO4、LiBF4 或 LiCF3SO3，溶

於碳酸乙烯酯或碳酸乙酯等有機溶劑。電

極片必須具有多孔性結構，以利鋰離子的

進出。石墨炭粉具層狀結構，兼具多孔及

超大的表面積，且可導電，普遍使用於鋰

電池電極。

在充電時，鋰離子從正極片主體移出

至電解液，經電場遷移嵌入負極片，還原

成為一種鋰間層化合物存於炭粉主體結構

內，放電的過程則完全相反。

為了減碳環保，電動車或汽電混合車受到很大的期待，其中最大的問題是

電池重量及充放電。

石 墨 具 碳 原 子 的 層 狀 結

構，可容鋰原子滲入，有

利鋰原子的進出，成為間

層化合物。

為了追逐高利潤，廠商往往把鋰離子二次鋰電池製造成只配合特定商品的形狀，不能互相替換，

造成使用者不少麻煩。（右）手機電池，（左）筆電電池。

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汙染問題，因此高功率大容量的鋰二次電

池的研發就成為必然的趨勢，各大汽車財

團無不全力以赴。另一類超大型鋰二次電

池是供離峰用電的電量儲存，它必須有很

好的充放電效率，Li-Al／ FeS2系列的熱電

池合乎這條件，因為熔鹽電解質的導電率

遠比液態電解液佳。

材料選擇

鋰元素在化學周期表的左上方，不但

質量輕，化學活性也很強，遇水就發生激

烈化學反應產生氫氣。

但鋰放在乾燥空氣中時，僅會在表面

起一層薄薄的氧化膜，具有一定的保護作

用。供應電池用的金屬鋰片一般存放在密

閉的金屬罐中，並充以惰性氣體以利運送

及存放。在良好的乾燥空氣中（攝氏 20度

時的相對溼度 3％以下），可以維持金屬光

澤達 1個月之久。

金屬鋰質軟富延展性，可以滾壓成薄

片，處理起來一點也不困難。鋰的標準還

原電壓是－ 3.05 V，質量又輕，做為電池

的負極材料可以有最大的理論能量密度。

正極材料的選擇必須注意它和電解液的匹

配，如不起化學反應、極化電壓低等。還

有就是能產生高電壓和高能量密度，最好

本身或反應生成物能導電，其次就是無毒、

不揮發、不易燃、價格合理和容易獲得。

有多種材料曾被試驗過，但實際可用的只

有十多種。

鋰的化學活性既然很強，電解液的選

擇必須特別注意。首先要了解使用的溶劑

必須具有哪些特性：不具反應的氫原子，

如 CH3OH上 OH根的氫會和鋰起化學反

應，不可使用，但 CH3CN中 CH3根的氫

則不和鋰起化學反應，可以使用；不和正

負極材料起反應，或者是形成一層在放電

時會被破壞的保護膜；高介電常數，以利

鹽類的溶解，並產生高導電度的電解液；

液態溫度範圍廣，以利使用環境的選擇；

易處理、無毒、穩定、不易揮發和不易燃

燒；價格合理，容易取得。

由於上述材料大多有強烈的化學活

性，其他如隔離紙、封裝材料等的選擇也

就有不同層次的問題。除了耐用，安全之

外，更不能和接觸的材料起化學反應。鋰

電池的研發或生產都須在低於 3％相對溼

度下進行，乾燥室就如無塵室，是一個很

所有電池都有不同程度的危險性，鋰電池的能量密度特別高，化學性能也非常

活潑，危險性就非比尋常。

乾燥箱的外框是不銹鋼材質，加上除溼乾燥設備，

相對溼度可維持在 1％。

5958 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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廢棄的安全問題　鋰電池的化學物質

活性很活潑，可以很快地在環境中反應，

因其含有高能量，廢棄前須確定電壓低於

2.0伏。一般消費性電子產品的鋰電池可在收集後由專業人員焚化處理。正極是液態

的鋰電池的廢棄處理是一件非常麻煩的事

情，因為電池具有危險的爆炸性，化學成

分也有強烈的腐蝕性，在美國只有少數幾

個合格的專業處理場所。

鋰電池因具高容量及大功率密度，在

現今的科技產品中占有非常重要的地位，

如手機、筆電、相機等都非常依賴鋰電池，

使其成為不可缺少的角色。此外，為了降

低大氣溫室效應，減少二氧化碳的排放，

電動車或汽電混合車受到很大的期待，因

此高功率大容量的鋰二次電池的研發勢在

必行。

再生能源的開發是分散式電源重要的

一環，可配合智慧型電網的架設，它必須

有超大型二次電池來儲存電能及穩定電力

輸出，高溫鋰二次電池有很好的充放電效

率，是理想的選項之一。

耗能的空間，尤其台灣的環境溼度很高。

研發則在乾燥箱中進行，它是一個配有除

溼設備的不銹鋼結構體，價格不斐。

安全問題

所有電池都有不同程度的危險性，鋰

電池的能量密度特別高，化學性能也非常

活潑，危險性就非比尋常。由於爆炸事件

頻傳，早期負極含量超過 0.5公克金屬鋰的電池便不准在民航飛機上使用。

鋰電池的安全問題可分 3個層次來討論，即製造、使用及廢棄。

製造的安全問題　鋰金屬遇水起激烈的

化學反應產生氫氣，放出的熱量足以使其燃

燒。水氣也有催化作用，可促使鋰和氮氣反

應產生氮化鋰，它進一步和水激烈反應產生

氨氣。失火時，鋰的灌救必須使用一種特別

的滅火器—以石墨粉混合表面處理劑，才能

有效隔離金屬鋰和空氣及水分。

使用的安全問題　正極是液態的鋰電

池因能量密度和放電功率很大，有非常高

的危險性。一個D型電池的爆炸威力有如一顆小手榴彈，其他型鋰電池的爆炸威

力雖然沒有那麼大，但也足以傷人。數年

前，新力筆電的鋰電池就因爆炸而下架，

造成很大的商譽損失。爆炸可歸因於極端

的放熱反應，造成所謂的熱奔（ thermal runway）現象。熱奔的發生不外是製造上的缺失和不正常的使用，如：短路或長時

間大電流放電、不當串聯的強迫放電、強

迫充電等。

鋰電池因具高容量及大功率密度，在現今的科技產品中占有非常重要的地位，

如手機、筆電、相機等都非常依賴鋰電池，使其成為不可缺少的角色。

柯賢文臺灣科技大學

60 科學發展 2013年 2月│ 482期

一般報導

一般報導

綠色航運

地球表面積的四分之三是海洋，海運成為國際間運輸的主流，全世界

約 90％的貨物必須靠海運送到世界各地。可能因為船舶這種龐然大物的運輸工具必須停泊在屬於管制區的港口內，一般民眾難以接觸和了解，因此

國人對海運及船舶相當陌生，也難以了解海運的重要性和獨特性。

只是像船舶這種龐然大物的運輸工具經年累月地在海上航行，以全世

界約 5萬艘貨船航行各地所累積的汙染量加總起來，對海洋環境必定有某種程度的殺傷力。這議題早就受到國際海事組織（ International Maritime Organization, IMO）長期關注，每年舉辦海洋環境保護委員會會議以商討對策。

近年來地球暖化越來越嚴重，一次次極端氣候一再地警醒我們，人

類對地球環境的破壞如果再不踩剎車，只怕大自然的反撲會一次比一次嚴

重！節能與減碳如果要立竿見影，屬於大耗能的船舶自然成為重點對象。

並且一艘船的生命周期一般長達 20年以上，在維護海洋環境和降低全球溫室氣體的排放上，長期所累積的效益相當可觀！

■ 黃道祥

你可曾想像過，一艘滿載的 5,500TEU貨櫃船開動時，

其效益相當於 5,500輛貨櫃車同時開上公路 ?

這些龐然大物的運輸工具所排放的汙染會是如何 ?

有哪些綠色環保措施可落實在海運上 ?

節能與減碳如果要立竿見影，

屬於大耗能的船舶自然成為重點對象。

61科學發展 2013年 2月│ 482期

海運的特色

海運和公路運輸及空運相比，公路運

輸的貨、卡車載貨量小，適合於內陸貨物

的分散或集中，但無法跨越海洋；飛機可

以跨國，貨運速度快，但是運費高，使得

空運局限於需要快速運達的高經濟貨物。

而海運的載重量大，由數千公噸到數

十萬公噸都有。雖然海運的航行速度並不

快，一般約為每小時 40公里，但是 3種運輸方式中海運的續航力最高，允許一天 24小時夜以繼日，且可一、二十天不用靠碼

頭，把貨物送達世界各港口。

一方面因為使用價格較為低廉的重油

做為燃料，海運每公噸每公里的運費最低。

但也因為海運的載貨量大，燃油消耗量也

大。以一艘運載 5,500個 20英尺貨櫃（稱為 5,500 TEU）的貨櫃船為例，一艘船如果以每小時 19海里的經濟航速航行，每日的

燃油消耗就高達 100公噸！又因為船舶使用的推進引擎是低速二

行程的柴油機，直接連結推進器以驅動船

舶行進，再加上機艙普遍設有廢能回收裝

置，例如主機排氣渦輪機、廢氣鍋爐、淡

水製造機等，使得推進引擎的熱效率可高

達 50％。因而在 3種運輸方式中，海運每公噸每公里所產生的碳排放量最低，是最

全世界約 90％的貨物必須靠海運送到世界各地（圖片來源：種子發）

海運的續航力很高，允許一天 24 小時夜以繼日，

且可一、二十天不用靠碼頭，把貨物送達世界各港

口。（圖片來源：種子發）

6362 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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一般報導

有效率的運輸方式！

國際海事組織 2009年公布的溫室氣體研究報告就指出，2007年整體海運及漁業所排放的 CO2達 10.4億公噸，僅占當年全球 CO2排放總量的 3.3％，最大的排放比率來自發電、加熱取暖、公路工業運輸和製

造業！根據報告的預測，隨著海運貿易的

增長，如果不採取任何措施，船舶溫室氣

體的排放量到了 2050年會比 2007年增加1.5到 2.5倍之多！因此需要及早採取強制性的措施，來減少溫室氣體的排放，不要

讓船舶對海洋環境的汙染惡化。

台灣在世界海運中的地位

在世界地圖上，如果以面積而論，台

灣只是個彈丸之地，可是在海運經營的規

模上，卻是世界列名的！

以 2007年為例，我國國人所控制的船隊有 574艘，合計的載重噸位約 2,486萬公噸，我國船東所擁有的本國籍和權宜船籍

的船舶，排名是全世界第 11名。其中在貨櫃運輸方面，我國的長榮海運、陽明海運、

萬海航運等所擁有的運能規模分別是全球

第 4、14和 20名，這 3家公司的運能在2007年合計高達全球的 8.8％！

什麼是綠色航運

在各種運輸方式中，雖然船運的效率

最高，但因為運貨量大，累積的汙染對海

洋而言依舊相當可觀！根據近年的統計，

全球船舶每年消耗燃油已達 5億公噸，每

年釋放約 16億公噸的二氧化碳和 3,000萬

公噸的二氧化硫（碳排放量比 2007年又

增加了約 6億公噸），使得溫室效應加劇。

再加上燃油價格逐年攀升，如何降低燃油

消耗，減少溫室氣體的排放，以及減少船

運所帶來的各項汙染以保護海洋環境，已

成為國際航運的當務之急。

而綠色航運的定義是甚麼呢？沿用碳

足跡的觀念，就是在船舶的生命周期內，

從造船開始，包含船型、設備、系統的選

擇和規畫就要考慮節能與環保設計。更

重要的是一艘船的使用壽命長達二、三十

年，因此在船舶的營運上，需要考慮綠色

經營策略以節能減碳。這當中就包含了貨

35％18.20％

21.30％

15.30％

2007 年全球 CO2 排放的分布圖

鐵路運輸 0.50％

國際航空 1.90％

海運 2.70％

國內海運及漁業 0.60％

發電 35％

其他 15.30％

能源產業 4.60％

製造業及設備 18.20％

公路運輸 21.30％

在各種運輸方式中，雖然船運的效率最高，但因為運貨量大，

累積的汙染對海洋而言依舊相當可觀！

如何降低燃油消耗，減少溫室氣體的排放，以及減少船運所帶來的各項汙染

以保護海洋環境，已成為國際航運的當務之急。

6362 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

食品包裝

一般報導

氣體減排措施為重點，包含碳稅的徵收以

及碳排放交易機制的策略運用等，來誘導

和約束船運執行節能減碳。

技術面的措施 在技術的層面上，降低

船舶的能源消耗和減少汙染排放的方法，

除了造新船時要考慮低阻力的船型設計、

船舶輕量化設計、高效率的螺旋槳、裝設

節能減排和廢熱回收裝置之外，國際上有

多項船用綠能的先導型設計的實驗，正在

以各種可能的方式讓航運朝向綠化邁進。

使用以液化天然氣為燃料的引擎 據

引擎製造商報導，以液化天然氣為燃料的

船用低速二行程引擎可使 SOx減量 100％；

且由於燃燒性佳，也可完全避免黑碳粒的

排放，NOx的排放則約可降低 85∼ 90％，

CO2排放降低達 20∼ 25％！面對國際公約

對溫室氣體排放的約束越來越嚴格，使用

液化天然氣為燃料的引擎似乎提供了解決

之道。

物運輸的航線及裝卸貨規畫、航路的氣象

修正等的規畫和安排，以管理的方式來實

現船舶營運的綠化。

最後，即便是船舶報廢（拆船解體），

也需要考慮低耗能的施作，零件、物料回

收再利用，以及控管拆船所造成的汙染等。

綜合言之，航運除了要考慮營運效率和經

濟利益之外，航運的整體執行面應該要納

入環保的考量，以減少航運對環境的衝擊，

才可稱為綠色航運。

實現綠色航運

在實現綠色航運的各種措施上，約可

歸納為3大類：技術面、營運面和市場機制。技術方面以各種可能的設計方式來降低船

舶的能源消耗，減低船舶的汙染排放和溫

室氣體排放。營運方面是透過各種營運管

理的措施，來實現船舶營運節能、減碳與

減排。至於市場機制，則以國際海運溫室

圖片來源：種子發

64 科學發展 2013年 2月│ 482期

一般報導

使用燃料電池做為船用發電機甚至主

機的動力源 談到在海上的用途，燃料電池在潛艇上已經使用一段時間了。至於全世

界第一艘燃料電池客船已經在 2010年開始運行，船名叫做「零排放號」（Zemships，是 Zero emission ships的簡稱）。這艘船以兩台 50千瓦的燃料電池驅動電動機推進船舶航行，並提供船上的電力需求。這艘船

可搭載 100名乘客，目前正在德國漢堡附近 Alster湖這種生態敏感區航行。

另外，歐盟由挪威和德國所支持的商

船燃料電池先導型計畫，於 2009年 12月也在北海地區完成實船安裝與測試。實驗船

稱為「維京仕女」（Viking Lady），總發電裝置容量是 320KW，使用以液態天然氣為燃料的高溫溶融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell, MCFC），藉以了解燃料電池實際安裝在船上的適用性和運轉效能。

燃料電池並不會構成海洋汙染，並且

運轉安靜，只是目前可商品化的燃料電池

的規模，離海運所需的大功率仍然有一段

距離。目前科學家正在努力，希望在大功

率的燃料電池研發上有所突破，以對船運

的節能減碳有所貢獻。

使用天帆以節約主機的耗能 全球第一艘以巨型風箏（俗稱為天帆）拉動的貨

輪「白鯨天帆號」（Beluga SkySails )，於2007年 12月 15日在德國漢堡下水。這種高科技風帆可以使用風力輔助引擎運轉，

減少 20到 35％的燃油消耗量。「天帆風力系統」是由漢堡的「天帆公司」花了 4年

時間研發而成的，當時造價是 50萬歐元。這套系統利用電腦控制，讓巨型風箏

可在 100至 300公尺之間升降，並可變換角度以捕捉最強勁的風力，拉動船身向前

行進。這時的引擎只需以較低速運轉，因

而可減少燃料消耗。據白鯨船運公司執行

長的敘述，剛升起風帆時可節省約 20％的燃料，隨著風帆面積從 160平方公尺展開至 320平方公尺，節能效果也隨之增加，甚至高達 35％。不過要提醒的是，若遭遇到逆風、暴風或船行速度超過 16節時，天帆就無效了。

綠能設施的船舶應用 一些陸地上已經成熟的綠能科技也正考慮應用到船上，

例如把船上的照明系統適當地替換為 LED照明系統，船上開放空間裝設太陽能發電

板，機艙泵送系統考慮採用變頻節能技術

等，都可提升船舶環保節能的效果。

營運面的措施　新船建造完成後，船

舶的性能已經大勢底定，再來就是靠船舶

營運面的持續關注了。一艘船的生命周期

長達 20年以上，以營運管理來實現節能減排，長期所累積的效益相當可觀。在營

運上有下列的措施可以用來實現船舶節能

減排。

船舶減速 船舶是靠主機直接驅動螺旋槳推進的，理論上柴油主機的功率正比

於航速的三次方，扭矩則正比於航速平

方。如果航速減為一半，推進功率會降為

全速的八分之一，扭矩則降為四分之一，

耗油率隨扭矩減少而下降。因此降低航速

一艘船的生命周期長達 20 年以上，以營運管理來實現節能減排，

長期所累積的效益相當可觀。

65科學發展 2013年 2月│ 482期

耗燃油的主要設備的能源效率，包含推進

主機、柴油發電機等。透過調整和維護保

養，維持機艙設備運轉的性能和效率，減

少耗油及廢氣排放。

適當的航路設計與規畫 運用船位監控和氣象導航服務技術，採最佳航路、經濟

航速航行等方式減少耗油。

靠港使用岸電供應系統 對裝設有岸電供應系統的某些港口，停靠的船舶可選擇

切換使用岸電，以提供靠港時所需的電力，

而不必像以往必須啟用柴油發電機，形成

對港口的空氣汙染。目前，這種替換電力

系統已經在美西港口裝設，對改善港口的

空氣汙染有所幫助。

拋光船體及推進器 隨著船舶航行，海生物會逐漸附著聚積在船體及推進器表面

上，增加船舶航行時的阻力，因而需要定

對節省燃油的效果特別顯著，但時間成本

加倍。

只是降低航速會造成主機燃燒需要的

空氣供應量不足，主機系統必須配套調整，

包含排氣渦輪增壓機的減量運轉，而改用

馬達驅動的輔助鼓風機。另外配合降速，

對應的氣缸潤滑油也需適當地調降等。伴

隨著主機的轉速下降，必須注意主機的氣

缸燃燒狀況以及主機性能的表現，減速航

行也需要注意引擎的 NOx排放是否符合環

保規定！

主機減速可以有效地降低CO2的排放，

但相對地也延遲了到港的時間，船公司必

須配合海況和氣象資料精算是否會延誤交

貨。不過如果運用得宜，船舶可以有效地

節約燃油，並減少船舶在港內的等待時間。

加強能源效率管理 監視船舶航行時消

圖片來源：種子發

66 科學發展 2013年 2月│ 482期

一般報導

期監控並施行船舶俥葉和船殼水下清潔磨

光工程，降低航行阻力，減少航行的燃油

消耗。

加強船員訓練 目前國內一些知名的航運公司對船舶節能減碳實施得相當認真，

公司規劃經常性的教育訓練，加強教育宣

導，讓所有船員確實明瞭船舶可能造成的

汙染及防制措施，並培養船員掌握機艙設

備運轉效能的能力，才可以在平時注意船

舶能源效率，有效地監督和管理船舶。

市場的機制　碳稅的徵收 國際海事組織在 2008年海洋環境保護委員會的第 57次會期中曾討論過，認為短期內最具可行

性的減量對策，就是對個別航運業者的排

放量課徵碳稅（又稱為溫室氣體排放費），

而簡單的徵收方法可以用隨油徵收，但也

有提議依海運燃油運送量，定時向船東或

船舶營運者收取。收取的排放費回到海運

業成立基金，專供研發溫室氣體減量技術

或自其他產業購入碳排放權。

碳排放交易機制的策略運用 在設計上，首先需要訂定溫室氣體排放總量限制，

然後分配船舶所有人（或經營者）的碳排

放額度。減排成效較佳的船舶所有人可透

過自身努力，把排放量控制在分配的額度

之內，並可以把省下來的額度當成商品出

售給額度不足的航運公司，如此以自由市

場的機制來達成溫室氣體總量管制的目標。

無論是碳稅的徵收或是碳排放交易機

制的訂定，目前仍然在討論階段，還有相

當多的細節及制度的設計需要協商，恐怕

無法在短期內有明朗化的結果。

總而言之，面對國際航運的競爭，

造船公司必須思考如何設計出高能源效率

的船舶以維繫競爭力，避免訂單流失。船

公司面臨各停靠港口的環保法規的日趨嚴

格，經營成本勢必上升，提高運費又怕增

加攬貨的困難，只有退而求其次地檢討經

營面。航運公司必須在營運規劃上靈活地

運用各種方式節能，以節省船舶的經營費

用；且在船員訓練上，必須養成人員有效

管理船舶能源效率的能力；並管制船舶汙

染，讓船舶能平安地出入各國港口，而不

必擔心罰款或延遲開航。

船舶的節能環保必須靠多方面的努

力，涓滴成河，不只是為了公司的競爭力，

更是為了維護海洋環境盡一份企業責任。

黃道祥台灣海洋大學輪機工程學系／

海運暨管理學院―海運研究中心

67科學發展 2013年 2月│ 482期

深度閱讀資料

楊正行（2010），航運業在全球氣候變遷下提升綠色競爭力之研究，

中華技術，85，40-51。

林繼昌（2010），氣候變遷對IMO的挑戰，船舶與海運通訊，82，1-7。

國際海事組織小記

國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）成立於 1959年，是負責處理國際海運技術、專業問題的聯合國專門機構。其設立的宗旨在於促

進各國間的航運技術合作、鼓勵各國促進海上航運的安全、提高船舶航行效率、

在國際上採取統一的標準以防止及控制船舶對海洋的汙染等，參與的國家有

169個成員和 3個聯繫會員。香港、澳門及法羅群島（Faroe islands）是該組織的聯繫成員。

IMO創立時制定了 3個階段性目標。首先，修訂海上人命安全公約（Safety Of Life At Sea, SOLAS）以防範意外事故，制定了MARPOL公約以處理船舶汙染問題，並制定 STCW公約以規範海事人員教育訓練的基本內容。繼而，依據海上事故發生的資訊，制定了遇險與安全通訊、搜索與救助、油汙染防治等 3個公約，並且在油汙染事件方面建立賠償與責任制度。

簡言之，國際間有關海事安全、海洋汙染防治、責任與補償、通信科技、

人因工程、船員訓練與發證、海事保全、港口國管制、海洋生態保護等，都由

IMO制定的公約所規範，並不斷地檢討與修正以維繫海洋運輸發展，並致力保護海洋環境與資源。

68 科學發展 2013年 2月│ 482期

一般報導

一般報導

歷史脈絡下的科學與技術

■ 王鑫、 許玲玉

「科學」是一個外來語，是日本人對 science的翻譯，按字面是分科之學。可惜這個譯名不能彰顯科學的意義，遠不如「格物致知之學」好。「科技」連

接了科學和技術，創造了新意，已屬致用之學，與科學精神大異其趣。在電

影〈當地球停止轉動〉和〈阿凡達〉中，都可以見到「科技」的作用，表現

出人類科技的進步，以及對地球、星球的負面影響。電影裡的主要概念之一，

竟然是「為了挽救地球，需要消滅人類」！

近代科學是指經過 16、17世紀的發展，並在牛頓體系中得以完成的自然科學理論系統。這種科學不僅代表著一種新的認識方法（科學方法、認識論），

而且體現著近代的世界精神（科學精神、科學態度）和思維方式（科學思維）。

那麼，在這之前呢？

古希臘時代，「physics」和「 nature」指的是同一件事。當時的智者熱中於探討自然的真相，追求宇宙的最終本體是什麼。不同的智者分別認為宇宙

的本體是水、火、數（畢達哥拉斯）等。直到蘇格拉底，才把道德哲學帶入

對話的中心。他認為不該只研究關於自然的問題，更應該研究人本身的問題。

蘇格拉底的學生柏拉圖更把理念論帶入，認為人經驗到的現象都是浮光

掠影、表面現象。物的真像不是觀察、經驗可得的，只有抽象思考，如數學

的探討方式，才能覓得至高無上的真理。柏拉圖看重關於價值的理型，對於

樹木、牛、馬等自然界事物的理型則不大關心。

近代科學是指經過 16、17世紀的發展，

並在牛頓體系中得以完成的自然科學理論系統。

這種科學不僅代表著一種新的認識方法，

而且體現著近代的世界精神和思維方式。那麼，在這之前呢？

69科學發展 2013年 2月│ 482期

亞里斯多德卻有和他老師柏拉圖不同

的想法，認為經驗的事實是成立的。他憑

藉探索經驗科學的豐富資料，肯定現實世

界，並建立一套經驗論哲學。他認為變化

的表象世界必有它的道理，應加以解釋。

他提出「四因說」，即質料因、形式因、

動力因、目的因，來解釋一切事物。其中，

目的因是一物存在的真正理由。至於在現

象界裡，他認為物的基本結構是質料和形

式。亞里斯多德肯定在自然界之外尚有上

帝，只有祂能有完全的實現與形式。上帝

推動宇宙變化，祂是哲學上的神。

亞里斯多德提出「第一哲學」的觀念。

第一哲學又稱為「形而上學」、「物理學

之後（metaphysics）」，或「神學」。它是超出所有能夠觸摸、能夠具體把握到的知

識的，它是一切學問的前提。由於希臘哲

學無法回答宇宙的最終本質（本體）是什

麼，無法統一本質和現象，因而導致懷疑

論的興起，給猶太教信仰的發展提供了溫

床。第一哲學被借用，引導出中世紀的自

然神學，上帝成為基督教世界唯一的真理。

這種思想統一西方世界，直到文藝復興時

代之後才見消退。

古希臘哲學的提問方式不可避免地要

捨棄現象的紛雜世界，而去追求現象背後

不變的本質，因而導致哲學家對世界做出

本質和現象二元劃分。這個難題成為哲學

思辨的主題，至今不衰。

亞歷山大大帝去世之後的希臘化時代，

北非亞歷山大城的學者們支撐著希臘文化

的餘脈，繼續發展科學，著名的學者如歐

基里得、阿基米得和托勒密等。羅馬時代

重工程技術，科學思維衰退。

中世紀前半段的哲學走柏拉圖主

義的路線，代表人物是聖奧古斯丁（St. Augustinus, 354-430）。他用深思冥想的方

式發展了「心靈哲學」，以心靈的感受出

發，統合了「信仰」和「知識」。他提出

「相信以便理解」的口號，忠於宗教神學。

奧古斯丁開創基督教的神學基礎，主張背

負原罪的人們只能藉由神的恩寵才能夠得

到救贖，而這段過程只能以教會為媒介才

能夠完成。他是結合「信仰與理性」的人，

融合了新柏拉圖主義和基督教，認為人應

當學習謙卑，時時讚頌神。

回教興起，占領北非之後，阿拉伯人

傳承了古希臘文明的菁華，在西元 800∼1,000年間達到興盛期。

8世紀前後到 16世紀的中世紀前期，士林哲學（scholastic philosophy）成為主導的思想。這段期間，基督教會壟斷思想文

化，教會推行的信條和準則是「啟示高於

理性」、「知識服從信仰」，科學成為「教

會恭順女」，因而導致歐洲科學技術長期

停滯。

西元 9和 10世紀，君士坦丁堡七世提倡學術和藝術，翻譯阿拉伯文獻。十字軍

東征又促進了東西交流。於是，古希臘文

明轉台至文藝復興前期的義大利。

中世哲學後半段的士林哲學走亞里士

多德主義路線，代表人物是聖多瑪斯．阿

奎那（St. Thomas Aquinas, 1224-1274）。他以亞里斯多德哲學為基礎，建立大規模的基

督教世界觀，並訂立士林哲學的主旨。

他以思辯的方式開展了主知主義的實

在論，以理性為工具，透過因果原則的層

層推論，認定「信仰」和「知識」應分開

討論。他確定神學高於哲學，提出「存在

先於本質」，鼓吹教皇是上帝在人間的代

表，位於世俗君主之上，而封建等級的劃

分是上帝的安排。他的神學著作經過教會

編輯，成為基督教神學的典範，權威僅次

於《聖經》。

7170 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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一般報導

西元 1200至 1225年間，亞里士多德全集翻譯成拉丁語之後，教會、修道院、

學校等都必須修習這些文獻，因此歐洲傳

承了古希臘文化。當時也出現了城市大學，

這些中世紀大學是市民社會的直接產物，

出現各種手工業同業行會、商會等自治團

體，他們更渴求知識。

文藝復興時期，西方人士開始用批判

的眼光檢查希臘哲學，或用新的實驗方法

尋找自己的道路。肯定人的價值、表達人

的思想感情等人文主義思潮興起後，破除

了人們對宗教神聖不可侵犯的信仰，培養

了自由研究的精神，引導人們深入觀察和

研究自然界。文藝復興時代，認為經驗與

理性一樣重要，但經驗在先。此起彼落的

新發現，如哥白尼的日心說、伽利略的力

學實驗等，為啟蒙時代開啟了方便之門。

在文藝復興時代，科學和哲學未分。

由於文藝復興謳歌人性的解放、呼喚理性

和自由，大航海時代又帶來了造船和製圖

技術，激發了西方人探索自然的熱潮，極

大地鼓舞了人們征服自然、利用自然的勇

氣。文藝復興和地理大發現時代的重要成

果之一，是促進近代自然科學的產生。達

文西（1452-1519）以實驗為基礎的科學思想和他對實驗、經驗的尊重，尤其被後人

稱道。

哥白尼（1473-1543）的《天體運行說》主張宇宙的中心是太陽。他的理論在

哲學、物理學上的衝擊，引起舊時代觀念

的崩潰和新的思想潮流，引發宇宙觀念的

改變。亞里斯多德和托勒密的地心說終於

擋不住觀察所得的證據而趨崩潰。開普勒

（1571-1630）的天體運動三大定律，更落實了哥白尼的理論。

16、17世紀是「啟蒙時代」，英國人培根﹙ Francis Bacon,1561-1626﹚提倡理性（註：古希臘時代所說的理性和啟蒙

時代後所說的理性不同）和嚴謹的實驗方

法。他是近代歸納法的創始人，又是將科

學研究程序加以邏輯組織化的先驅。

培根強調以正當而嚴謹的方法研究自

然，反對亞里士多德在《工具論》一書中

的演繹法；他提倡歸納法，強調經驗要先

於結論而做；認為三段論不能保證前提和

結論的真理性。不過，培根的歸納法對假

說（研究的出發點和指導原則）不夠重視。

他認為要認識客觀世界就應該擺脫各種假

象，但是他也指出人類的本性中有著不利

於客觀認識的因素。 維薩留斯（1514-1564）提出《人體結

構》，注重實際解剖的結果勝於雄辯。哈

維（1578-1657）提出《動物心血運動的解剖研究》，他是生理學之父，發現血液循

文藝復興時期，西方人士開始用批判的眼光檢查希臘哲學，

或用新的實驗方法尋找自己的道路。

16、17 世紀是「啟蒙時代」，培根提倡理性和嚴謹的實驗方法。他是近代歸納法

的創始人，又是將科學研究程序加以邏輯組織化的先驅。

7170 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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著 17世紀，而且對後世有重大影響。他提

倡理性，反對盲目信仰，以懷疑為武器，

反對經院哲學。「大膽懷疑，小心求證！」

笛卡兒說，只有一件事是我們無法懷疑的，

那就是「我思故我在」，指的是我們正在

「懷疑」這件事的「懷疑本身」象徵我們

的存在。笛卡兒構思了新的形而上學取代

中世紀的士林哲學，他的心物二元論徹底

推翻了基督教會的神創說。

牛頓（1642-1727）是劃時代的科學家，

他的萬有引力定律、慣性定律、加速度定

律、作用力和反作用力定律，以及《自然

哲學的數學原理》等為科學建立了扎實的

根基。牛頓指出自然科學家面對各種事物

時，先要通過實驗和觀察進行分析，然後

用綜合的方法得到普遍結論，並立為原理，

再用這些原理解釋自然界的現象，並且證

環理論。伽利略（1564-1642）最早使用自

製的望遠鏡觀測天體，他堅持以實驗為基

礎，倡導「現象觀察，邏輯判斷，數學演繹，

實驗驗證」。

笛卡兒（Descartes,1596-1650）著《方

法論》、《哲學原理》等，也是西方近代

理性主義哲學的奠基人之一。他提倡懷疑

論方法，拒絕接受任何教條主義，全面挑

戰各種思考習慣和自然而然的看法，把先

哲和神學擱置一邊。他的思想代表從古代

的本體論過渡到近代的認識論或知識論，

在他看來，舊見解都來自感官，而感官是

不可靠的，只相信理性主體的自我，人的

理性成了萬物的試金石。笛卡兒是一個二

元論者，把靈魂和肉體看作完全獨立的兩

種實體。

笛卡兒的科學和哲學思想，不僅支配

笛卡兒的科學和哲學思想，不僅支配著 17 世紀，而且對後世有重大影響。

他提倡理性，反對盲目信仰，以懷疑為武器，反對經院哲學。

維薩留斯（1514-1564）提出《人體結構》。（圖片來源：種子發）

7372 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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明這些解釋的正確性。這就是整個近代自

然科學的基本研究模式。

18世紀啟蒙運動時代，科學主義盛極一時。科學被看做關於自然的經驗陳述和

形式陳述的集合，是在時間中某一時刻構

成公認的科學知識的理論和數據，是典型

的已完成的產品。科學是由科學家的活動

或行為構成的，也就是說，它是人類的一

種活動，而不論這種活動是否帶來了關於

自然的「真」的、「客觀」的知識。

科學又有廣義、狹義之分。廣義的科

學包括人類和自然互動過程中形成的一切

系統性的知識體系；狹義的科學指建立在

數學和實驗基礎上的、系統化的、具有嚴

密邏輯性的知識體系。科學家堅持不但要

知其然，還要知其所以然，要遵循循序漸

進的、科學的模式。從事科學研究的人，

遇事問為什麼？習慣用一定的方法，通過

一定的途徑，系統性地繼續提出問題。

技術和人文主義是不能分離的，因為

技術是把科學應用到人與社會的需要上。

20 世紀的人文主義及文化包括了科學和技術。

17、18世紀的歐洲人以自然科學研究的成果為基礎，改良各種生產技術，相繼

發明了許多機器，如鐘表、抽水機、織襪

機、手搖紡紗機、印刷機等。其中以英國

人薩維利（Thomas Savery）在 1698年發明

的蒸氣機最為重要。到了 18世紀中葉，瓦特改良蒸氣機，使蒸氣機能與其他機器

如織布機、紡紗機等並列，成為推動各種

生產的動力機，帶動「工業革命」。

工業革命之後，又出現了跳躍式的科

技進步，資訊科技、生物科技、奈米科技

紛紛出籠，也帶來了深層的社會變遷，如

泛商業化、壟斷性企業和消費革命。在資

本主義引導下，人類社會終於「窮到只剩

下錢」，更出現貧者愈貧的現象。18世紀的工業革命到了 19世紀，發展成爭取科技人才的科技革命，武器科技發展領先。

演變到 21世紀，已經是消費革命時代，消費主導了科技發展。壟斷性大企業

已經成為新霸權，啟蒙時代以來發展的自

由民主和科學、技術，已經構成威脅地球

永續發展的怪手。

工業革命之後，出現了跳躍式的科技進步，資訊科技、生物科技、奈米科技紛紛出籠，

也帶來了深層的社會變遷，如泛商業化、壟斷性企業和消費革命。

王鑫中國文化大學地學研究所∕

臺灣大學地理及環境資源學系

許玲玉成功大學資源工程研究所

7372 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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NSC-supported Research

台灣新發現

74 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

■ 張志玲

汙水整治　

1加1大於2

在汙水環境整治中，最受歡迎的是穩

定、便宜、技術成熟的微生物處理法，但

在情況特殊時，仍會採用成本較高的物理

化學法。弘光科技大學環境與安全衛生工

程系蘇弘毅教授認為，兩種方法其實可以

搭配使用，先利用物理化學法解決較困難

的部分後，再交給微生物處理，可以提升

效率，節省時間、能量與耗材。

蘇教授以 2個實驗證實自己的想法。首先把表面黏著奈米鐵的 1公克樹脂放入 1公升水中。第一個實驗是把氯酚投入水中，

形成毒性高的氯酚溶液。蘇教授表示，奈

米鐵表面遇到水時會釋出二價鐵和 2個電子，這 2個電子能令水環境變成「正的帶氧化態」與「負的帶還原態」，同時產生

負 600∼ 700的微伏特電位。這種電位無法破壞所有鍵結，但是能把對它具有吸引

力的鍵結斷開，一旦鍵結斷開，便能改變

汙染物的性質。

當水中奈米鐵破壞酚與氯的鍵結後，

會產生所謂的脫氯作用，15∼ 20分鐘後，失去氯的氯酚溶液便變成毒性較低的酚溶

液。這表示完成了第一階段任務，接下來

再交給微生物處理。

第二個實驗是把偶氮染料投入水中測

試。染料對環境的最重要影響是顏色，倘

若有顏色的汙水不小心排進溪流，除觀感

上不舒服外，染料也會吸收陽光，導致水

中生物無法獲得足夠陽光，而嚴重影響水中

的生態環境，因此染整或染料業界處理廢水

的第一步就是去除顏色。

偶氮染料的主要鍵結是 R–N=N–R，上面的雙鍵是主要發色體，也是這類染料共

通的官能基，只要切斷鍵結，顏色就會消

失。把偶氮染料投入水中，由奈米鐵破壞

氮與氮間的雙鍵，就可令顏色在短時間內

消失。一旦解決較困難的顏色問題後，便

可交給微生物繼續處理。

在這 2個實驗中，都可見到奈米鐵依然留在樹脂表面，如果它仍是鐵，就可繼

續使用。如果在處理過程中已經變成氧化

鐵，可以利用還原劑使它還原為鐵後繼續

使用。因此證實，應用奈米鐵整治汙水比

微生物快速有效，並具有回收再利用的經

濟效益。

鐵是地球上的主要元素之一，早在

75科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

1990年代開始就用來整治汙染土壤。奈米科技出現後，大家開始研究奈米鐵的應用。

奈米粒子很微小，能提供許多表面積進行

反應；但也因為小，許多特性已與原來的

性質不同，萬一不小心散布在環境中，易

有健康安全上的疑慮。

既要利用奈米鐵的好處，又不想讓它

散布在環境中，就得固定住它。因此，易

與金屬親和的離子交換樹脂被選為固定奈

米鐵的材料。主要做法是把樹脂放入鐵溶

液中，先由樹脂上親和金屬的官能基進行

離子交換。當鐵離子固定在樹脂上後，再

利用還原劑把鐵離子還原成鐵。由於鐵與

鐵會互相聚在一起，樹脂上便黏著許多奈

米鐵。由於這些樹脂都是大小不到 1mm的顆粒，把它們填入管柱或固定容器中，再

讓汙水流過，就可除去水溶液中的部分汙

染物質。

放大 5 萬倍的奈米鐵鎳樹脂

樹脂的大小不到1mm，原本是個漂亮的褐色球體顆粒（左圖），覆上奈米鐵鎳後，變成黑色的球體顆粒（右圖）。

張志玲本刊特約文字編輯

NSC-supported Research

台灣新發現

76 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

■ 吳美枝

在不規則中

找規則

「明年過生日時，你的年齡會比今年

大幾歲？」─「站在海邊，你知道下一波

海浪會打在岸上的哪個位置呢？」絕大多

數的人都能毫無遲疑地回答第一個問題，

但對於第二個問題，世上幾乎無人能答。

這兩個都是自然界現象所形成的問題，但

難度為何會有天壤之別呢？

科學家相信，自然界大多數現象的背

後往往有控制方程式可加以描述。有些現

象能由比較簡單的「線性方程式」掌握，

其單純的程度就如最基本的加減法一般。

但絕大多數的自然現象，舉凡空氣的流動、

地表上的水流與波浪、甚至是地底下看不

見的地下水流動，都是由較複雜的「非線

性方程式」來掌控。

面對簡單的線性問題，可以用最簡單

的算術去計算，也因此我們對「年齡的推

算」可以精確無比。但對於複雜的非線性

問題，科學家卻得耗費相當的精力與方法

去求解，若想模擬與掌握眾多的自然現象，

還得先設定好許多「條件」後才能得到「近

似」的結果。

臺灣海洋大學河海工程系的顧承宇教

授在研究山崩、土石流等自然災害時，也

和其他的科學家面對同樣的困境。但他的

研究團隊在積極研究山崩、土石流等的應

用問題之外，更針對問題的核心—非線性

方程組的求解—提出了另一個方向。

直到現在，科學家在求解各類非線性

方程式時，仍廣泛採用三百年前發明的「牛

頓法」。在過去，在面對較單純的非線性

問題時，「牛頓法」確實是一個良好的解

法。但隨著科技的發展，當各種描述自然

現象的非線性方程式越趨複雜時，傳統的

牛頓法已出現應用上的限制，甚至出現無

法求解的情況。

顧教授的研究團隊針對這個問題，由

牛頓法出發大幅改良，最後發展成一套名

為「牛頓同倫法」的新解法。這套很有效

率的方法，可應用在各種非線性方程式的

求解上，特別是面對較複雜的「方程式組」

時，更能大幅縮短求解的過程，同時兼顧

準確性，可補足傳統牛頓法的不及之處。

顧教授並以山崩、土石流的問題為例，

77科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

在應用這套新解法後，大幅縮短了電腦計

算的時間。這表示未來可在有限的時間內

處理更龐大、複雜的資料，並得到一個更

精細的模擬結果，為防災與救災爭取了不

少的空間。

顧教授團隊的研究成果是屬於較抽象

的基礎理論科學，卻能廣泛應用在諸多領

域中，這在國內普遍期望能立竿見影的研

究氛圍中十分難得。但他認為，這是真正

發展科研的必要之路，唯有重視基礎科學

發展，才能在根本上有厚實的基礎，而在

面對日益嚴重的土石流問題時，也才有能

力且能有效率地去處理。

2009 年莫拉克颱風來襲，造成陳有蘭溪流域

狹長型山崩（上圖），形成土石流堆積扇（下

圖）。應用更有效率的方法來求解非線性方程

式，有助於邊坡崩塌與土石流的即時電腦模

擬，可對防災與救災提供寶貴的評估資訊。

吳美枝本刊特約文字編輯

78 科學發展 2013年 2月│ 482期

科技新知

海洋保育區2008年春節期間，澎湖發生百年寒害，損失慘重，僅南方四島（東嶼坪、西嶼坪、東吉

及西吉）以南損失輕微。去年中，澎湖縣政府提議把南方四島周邊海域發展為「魚類種原保

育庫」，希望規劃為兼顧保育與觀光的海洋國家公園。不過，漁民擔心生計受影響，有質疑

聲浪。其實對於海洋生物保育區的預期功能，學界也有人有異議。

設立保護區、禁止打漁，是希望其中的魚兒活得更長、長得更大、生產更多子女，然後

挹注保育區周遭的漁場。挹注的方式有二：一是卵或魚苗隨波逐流，自然散播到漁場中；二

是魚孵化、長大後，在日常活動中難免會出界、進入漁場。當然，魚苗散布的範圍比較廣大，

而在保護區邊界附近活動的成魚最有可能出界。

異議學者指出這個如意算盤未必禁得起現實考驗。例如有些緊鄰保護區的漁場，漁獲量

並未增加；全球的海洋保護區並未遏阻生物多樣性日漸流失的趨勢。好在支持保育理論的經

驗證據越來越多，保育界人心大振。例如澳洲大堡礁保育區中，55％胸斑笛鯛（赤筆仔）未成年魚、83％花斑刺鰓鮨（石斑）未成年魚都散布到四周漁場中。

現在澳洲庫克大學（位於昆士蘭）的研究團隊發現保育區會改變魚兒的行為，豐富了我

們對於保育區功能的認識。研究人員到菲律賓保和海域調查 3種棲息在珊瑚礁中的魚，一種是非食用魚—蝴蝶魚，另外兩種是食用魚—刺尾魚、鸚哥魚。那些魚分屬 3個不同的科。

研究人員測量魚兒面對可能威脅的反應：一位研究人員在距離魚兒 8∼ 10米處，面向魚兒游去，直到魚兒逃竄或閃躲。結果，在漁場中受到漁獵壓力的魚，反應距離較長；保育

區中同樣的魚，反應距離較短。這表示生活在保育區中會使魚兒鬆懈戒心。更有趣的是，在

保育區邊界外兩百米，魚兒的反應距離才逐漸增加。也就是說，在保育區長大的魚，出了保

育區後不會特別提高警覺。而蝴蝶魚無論在保育區還是漁場，反應距離都一樣。

這個發現顯示，保育區不僅是漁場的魚源，出身保育區的魚還比較沒有戒心，容易捕獵。

圖片來源：種子發

79科學發展 2013年 2月│ 482期

閹割能增壽？根據內政部的統計，99年我國國民 0歲平均餘命，男性是 76.13歲，女性是 82.55歲。

簡言之，男人命短。這是世界性的趨勢。

至於男人為什麼命短？最流行的理論就是：都是睪固酮（男性荷爾蒙）惹的禍。有些學

者認為，睪固酮會壓抑免疫系統功能，男人因而減壽。其他學者則斷定，睪固酮使男人容易

罹患心血管疾病。最好的證據來自閹割了的大鼠與家犬—牠們都活得比較長。

可是美國老化生理學家布朗伯格（Holly M. Brown-Borg）教授卻認為，在人身上不大可能觀察到這種效果。於是韓國生物學者閔慶振（仁荷大學）、李哲求（高麗大學）與歷史學

者朴漢男（韓國國史館）合作，利用韓國史上的閹人資料，證明閹割也可以使人延壽。

傳統韓國宮廷中的內侍也是閹人，但是他們可以結婚成家、收養子女，只不過若是男孩，

也必須先閹割。韓國學者利用 19世紀初編成的一部宦官家譜《養世系譜》，統計閹人的壽命。《養世系譜》的始祖是李氏朝鮮的一位內侍，編纂者名列第十三代，其中包括 385名閹

人的生年、出生地、官階、妻與子的名字，與葬地方位。 其中 81位生卒年俱全，壽命範圍27∼ 109歲，平均 70歲。而根據當時社經地位相當的另外 3個家族族譜，平均壽命不超過55.6歲。國王與皇家成員的平均壽命更低：47／ 45。更值得注意的是，81名閹人中，有 3人是百齡人瑞：100；101；109。今天在美、日兩國，每 4,400／ 3,500人才有 1人能活到百歲。

不過，睪固酮究竟如何使男人短命，仍是一個謎。因為男人步入中年，體內睪固酮就逐

年降低，要是它先前壓抑了重要生理機能，那麼男人年紀大了之後，身體應該越來越好才是，

不是嗎？

圖片來源：種子發

80 科學發展 2013年 2月│ 482期

科技新知

兩性壽命趨於平等事實上，在一些富裕國家，兩性 0歲平均餘命的差距最近已經縮短。例如英格蘭與威爾

斯，那一差距在 1967 年達到高峰：6.3歲（我國 2010年是 6.4），現在是 4.1。1980 年代初，活到 65歲的女性，平均餘命比同齡男性平均多 4年，現在不到 3年。相同趨勢也出現在其他工業化國家，唯有日本、俄國例外。

簡言之，二次世界大戰後，所有已開發國家人民的平均壽命都增加了，只是最近二、

三十年男人似乎還享受了額外利益。根據英國《經濟學人》周刊的報導，英國一家保險公司

委託一個專家小組（包括科學家與精算師）專門研究這個趨勢。

他們發現：兩性平均壽命的差距，有一半是吸菸造成的。而在英國，過去半個世紀中，

男人比女人更可能戒菸。結果，1979∼ 2009年之間，男人因為吸菸而死的人數，下降幅度超過 6成（64％）。1991∼ 2005年間，英格蘭年紀超過 49歲的男性，因肺、氣管罹癌而死亡的人數下降了 39％；女性只降 3％。在俄國，女性平均比男性多活 12年，是因為俄國男人繼續吸菸。

第二個影響壽命的因子是酒，不過這是對男性不利的因子。1979年，與酗酒有關的死亡人口中，男人較多，兩性比例是 2：1；2009年，2.4。

第三個因子是肥胖。肥胖與高血壓、第二型糖尿病等慢性病有關聯，是常識。在歐盟國

家中，兩性的肥胖比例非常接近（男性 15.4％ vs. 女性 15.5％），但是肥胖對女性的健康衝擊比較大。而且另外一個趨勢也有利於男性：因心臟病而死的人口在 1991∼ 2005年下降了一半以上。由於其中兩性的比例是男 2：女 1，得救的男人人數更多。

這個男性迎頭趕上的趨勢會不會持續下去，最後與女性齊頭並進，甚至後來居上？專家

小組認為不可能，年滿 65歲的人，平均餘命將繼續維持女性領先一至二年的態勢。他們的理由有二，一、睪固酮是造成兩性生理、行為差異的關鍵，男人因而衝動、冒險、不計代價；

二十多歲的年輕人，男性的死亡率是女性的 2.5倍。二、這是演化的結果，因為身體只是基因的載體，而雄性動物面臨的生殖壓力特別大。

圖片來源：種子發

81科學發展 2013年 2月│ 482期

王道還中央研究院歷史語言研究所人類學組

「重量」級問題去年 5月，世界衛生組織指出，現在全世界的肥胖人口已是 1980年的兩倍。20歲以上

的人，體重過重的超過 14億人，其中 2億男性、3億女性屬於肥胖級。5歲以下的兒童，超過 4億人體重過重。總之，體重已是嚴肅的公共健康問題。

現在大家都以「身體質量指數」（BMI）做為監控、分類體重的依據如下表：

「身體質量指數」（BMI）＝ 體重（公斤）÷ 身高（公尺）÷ 身高（公尺）體重分類 「身體質量指數」（BMI）範圍過輕 BMI ＜ 18.5正常 18.5 ≦ BMI ＜ 25過重 25 ≦ BMI ＜ 30肥胖 30 ≦ BMI肥胖 1級 30 ≦ BMI ＜ 35肥胖 2級 35 ≦ BMI ＜ 40肥胖 3級 40 ≦ BMI

過去已有許多研究報告討論BMI各等級的健康、死亡風險。大部分研究都指出：「體重」過重、肥胖的人，健康、死亡風險都比較高，例如高血壓、第二型糖尿病。但是也有少數研

究發現：「體重」過重的人，健康、死亡風險反而比體重正常的人低。

因此美國的健康統計中心、癌症研究院與加拿大渥太華大學的學者合作，重新分析過去

的研究報告。最後，他們利用了 97份報告，調查對象合計超過 288萬人，其中有 27萬個死亡個案。結果他們發現：相對於「體重」正常的人，「體重」異常的健康風險如下：

過重 0.94肥胖 1.18肥胖 1級 0.95肥胖 2級／肥胖 3級 1.29

換言之，BMI介於 25∼ 35之間的人，比正常人還健康。專家指出，這個研究證明了 BMI只是一個粗略的健康指標。就體重而言，要是過重源自

脂肪，而且脂肪堆積在小腹，才是值得警惕的事。

圖片來源：種子發

科學

技術與社會

82 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

醫療專業化的

曲折道路 ▎李尚仁

專業的興起是現代社會的重要特徵，

而醫學則常被認為是最古老而典型的專業。

歐洲在中世紀建立大學以來，醫學就是大

學的一門學科，然而醫學成為一門專業卻

是 19世紀後的產物。19世紀之前，歐洲正統醫學分為醫師（physician）、外科醫師（surgeon）與藥師（apothecary）3種職業，這 3種行業構成了現代醫師的前身。這話在今日聽來頗為奇怪，因為現代外科是醫

學的專科，而非醫師之外的另一種行業；

藥師和醫師則是截然不同的工作，又怎會

是現代醫師的前身？

事實上，這種「專業化」的過程有

曲折的發展歷程，而不同國家醫學專業化

的歷史又不相同。近年來，潔芳德（Toby Gelfand）、瓦丁頓（Keir Waddington）等學者整合這方面課題的龐大研究成果，提

出較全面的歷史圖像。

上述 3種醫療人員中，醫生的地位最高，正統醫師必須擁有大學學位，能閱讀

用拉丁文與希臘文寫成的古典醫學典籍。

他們的病人主要是同樣有教養的士紳階級，

醫師看病時要能夠旁徵博引，善於引經據

典與病人討論病情，這是成為名醫的必要

條件。

外科醫師之所以有別於醫師，一個原

因是天主教會在 1215年決議，神職人員不得從事使人流血的工作。早期大學的興起

以及大學內的醫學教育和教會關係密切，

這決議使得外科和大學的醫學教育分離。

不過或許更重要的因素是當時社會階級嚴

明，受過大學教育的醫師有別於靠雙手勞

動維生的工農，當時認為只有身分低下的

人才靠勞動與手藝謀生，紳士不為也；外

科醫師的工作性質就是要動手處理傷患，

他們的社會地位就低了醫師一截。

調配藥劑販售的藥師同時具有工匠與

商販的性質，地位同樣低於醫師。這三者

的分工原則上是醫師診斷病人的病情後，

若有必要再交由外科醫師處置需要動手處

理的外在問題，如放血、排膿等；醫師開

出的處方則由藥師調配。

當時醫療人員的資格由傳統行會性質

的機構來規範管理。英國倫敦皇家醫師院

（Royal College of Physicians, London）在亨利八世的特許下於 1518年成立，負責倫敦地區醫師資格的考試檢定。皇家特許和學

院名稱在在彰顯醫師的優越地位。法國同

樣是皇家特許，由巴黎大學醫學系負責規

範醫師資格。西班牙以及義大利諸城邦由

王室以及城邦政府規範醫療行業。

外科醫師原本是師徒制訓練，由行

會規範。英國「理髮師－外科醫師公司」

（Company of Barbers and Surgeons）在 1540年成立，1745年成為「皇家外科醫師公司」（Royal Company of Surgeons），1800 年 又

改名為「皇家外科醫師院」。

藥 師（apothecary） 這 個 字 來 自

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

apotheca，指的是收藏酒、香料與草藥的地方。在英國，apothecary這個字的意思演變成「雜貨商」。倫敦市在 1180年成立胡椒商行會（Guild of Pepperers），香料商（Spicers）在 1316年加入，然後在 1428年成為「雜貨商公司」（The Worshipful Company of Grocers）。不過藥房和香料逐漸變成獨立的生意，而到了 16世紀中，apothecaries逐漸演變成今天的「藥劑師」的意思，且希望脫離雜貨商行會獨立。倫

敦藥劑師學會終於在 1617年獲得皇家特許成立。

醫師一直想和其他醫療人員劃出執業

範圍的明確界線，並規範外科醫師與藥師

不得越界，但他們的控制能力有限。外科

醫師與藥師同樣幫病人診病，藥師常在沒

有醫師處方下就開藥，在鄉下地方情況尤

其如此。

大學教育原本是區隔醫事人員的重要

根據，但這個界線在 18世紀變得模糊了，因為許多私立的醫學學校和醫院興起，提

供以解剖學為主的課程，讓具有事業企圖

心的外科醫師與藥師就讀。隨著新醫療技

術的開發、新的訓練資格，讓外科在這段

期間地位提高。1750年之後，越來越多醫師與外科醫師在同樣的醫學學校和醫院接

受訓練。 更重要的發展出現在法國。1789年 7

月法國爆發大革命，推翻了古老的王朝，

建立起共和體制，使歐洲進入了革命的年

代。在這同時，法國醫學界也展開了一場

影響深遠的變革。革命派認為醫師資格來

自皇家特許，是舊政體下的壟斷特權，在

革命精神下應該人人平等，都可自由行醫

以發揮博愛精神。因此革命政府關閉醫學

學校並廢除醫師資格制度，法國醫療進入

全面自由放任的市場時代。

然而這種狀況並未持久，許多民眾抱

怨醫療郎中橫行，無辜百姓健康受害。更

重要的是，大革命後法國旋即陷入對外戰

爭，對軍醫的迫切需求逼使政府改弦易轍。

1803年，法國通過法律規範醫事人員資格。在巴黎、蒙貝利耶（Montpellier）以及史特拉斯堡三地設立新式醫學院，其課

程內容結合內科與外科，廢除醫師與外科

醫師的傳統區別。法國政府還實施醫師證

照登記制度，取締無照醫師。拿破崙戰爭

（1803-1814）把醫學改革推展至被法國征服的國家，如義大利、萊茵河地區與低地

國，其他國家的正規醫師也效法爭取類似

改革，嚴格規範行醫資格。

法國所帶起的醫學改革風行不少歐陸

國家，但它的死對頭英國則不受影響。英

國醫師與外科醫師資格還是由各主要城市

的皇家醫師院與外科醫師院授予與管理，

這些學院大多坐擁特權、墨守成規並抗拒

改革，它們幾乎不受監督，不同學院與學

會的資格檢定標準也落差甚大。

83

科學

技術與社會

84 科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

英國另一重要發展是，越來越多的醫

療人員同時領有外科醫師與藥師的執照，

擔任基層醫療工作，提供內、外科與產科

服務。這些「外科醫師－藥師」（surgeon-apothecaries）在 19世紀演變成一般科醫師（general practitioners）。1815年，英國國會通過藥師法案（The Apothecaries Act），規範英格蘭與威爾斯的一般科醫師資格。

雖然批評者認為這個法案沒有取締無照醫

療人員的條文，無法保護合格醫療人員，

但法案規定課程內容必須包含科學課程與

臨床訓練，是一大改革。

英國自由放任的傳統，導致正規醫療

人員得面對強烈市場競爭。1840年代，英格蘭與威爾斯的一般科醫師的密度是法國

的兩倍，還得面對藥師（druggist, chemist）以及無照醫療人員爭奪病人。

英國在 1858年的醫療法（The Medical Act）中，建立有照醫療人員的單一登錄制度，朝專業統一的方向走，但仍沒有建立

單一的考試與證照制度。無照行醫仍舊無

法取締，只有在無照者冒充有照醫師時才

能處罰；要到 1886年的醫療法修正案（The Medical Amendment Act），英國才把外科醫師與內科醫師考試合一，並訂定一般科

醫師統一的考試檢定標準。

上述潔芳德與瓦丁頓的研究顯示，從

醫學專業化在英國與歐陸相當分歧的歷史

演變過程，可以看出醫學知識的發展只是

推動專業化的一部分力量，政治經濟、意

識形態與社會制度更是重要的決定因素。

李尚仁中央研究院歷史語言研究所

深度閱讀資料

Waddington, K. (2011) An Introduction to the Social History of Medicine, pp. 166-188 , Palgrave Macmillan, UK.

Bynum, W.F. and R. Porter (1993) Companion Encyclopedia of the History of Medicine, pp. 1119-1150, Routledge, UK.

The Worshipful Society of Apothecaries of London:http://www.apothecaries.org/

科學發展 2013年 2月│ 482期科學發展 2013年 2月│ 482期

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