2012年3月9日 星期五

經濟泡沫史之鑑古知今Ⅰ:鬱金香狂熱VS【凱因斯( Keynes)的“最大笨蛋理論】--2010/01/06 - 輕騎橫嶺 - Yahoo!奇摩部落格

經濟泡沫史之鑑古知今Ⅰ:鬱金香狂熱VS【凱因斯( Keynes)的“最大笨蛋理論】--2010/01/06 - 輕騎橫嶺 - Yahoo!奇摩部落格:

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經濟泡沫史之鑑古知今Ⅰ:鬱金香狂熱VS【凱因斯( Keynes)的“最大笨蛋理論】--2010/01/06

2010/01/06 15:38


概述
世界上第一次有大量文字記載的投機狂潮,發生在十七世紀初的荷蘭,歷史上稱為“鬱金香狂熱”。當然,鬱金香也因此成為有記載的第一次商品“泡沫”。在鬱金香炒作的高峰時期,甚至一個家庭的所有財富都被葬送在一隻植物球莖上。
  鬱金香的名字起源於土耳其語,意為“纏頭巾”花。在十六世紀中期,游經土耳其的旅行家們被這種花的美麗所打動,並把它帶回了維也納。很快,它就吸引了歐洲人的廣泛註意,幾年之內開始在德國種植,接著是比利時,然後是荷蘭。在十六世紀70年代後期,它被傳播到英格蘭。很快,這種新穎的花卉開始在宮廷內流行。
  和其他花卉有所不同,鬱金香不僅形態優雅,而且具有“變異”的特性。人工栽培的鬱金香,常常會發生引人註目的變異,比如人工培植的紅色鬱金香,其後代有可能會變成紅白相間的品種。
  由於當時的人們對植物的基因不甚瞭解,鬱金香的這種神秘“變異”無疑增加了歐洲人對鬱金香的投機興趣。當時的鬱金香種植者們,每天必然會做一件事——巡視花圃,搜尋顏色“變異”的花朵。花朵的顏色如果漂亮,擁有者就可以期待高價的買主。而買家,之後再用這樣的花培育下一代花卉,再以高價出售。“莖基”發黃(稱作“污底”)或形狀難看的鬱金香會被淘汰,而完美的花朵成為“花種”。
  在十七世紀20年代初,對於鬱金香及其“變異”特性的熱忱開始登陸荷蘭。當時最罕見的種子可以賣到幾千弗洛林(英國一種銀幣,值二英鎊,於1971年停用),這個數字幾乎相當於當時中等收入家庭一家的財富。逐漸的,這種狂熱從一小部分人傳播擴散到整個荷蘭社會。很快,幾乎所有的家庭都建起了自己的鬱金香花圃,幾乎佈滿了荷蘭每一寸可以利用的土地。
  起先,交易發生在冬季。投機者可能會帶著一些樣品和一定量的球莖,聚集到鬱金香交易者的旅館。在那裡,交易者可以用五百弗洛林買來的“德隆普大將”外加二百弗洛林現金,交換到“博爾元帥”,接著寄希望於一周內再以一千弗洛林出手。
  就這樣,鬱金香價格開始瘋狂地上漲。到了1634年,從苦力到貴族,荷蘭各個社會階層的人幾乎全被“動員”到鬱金香炒作的隊伍中來了。很快,交易從冬季變成了全年進行,雙方可以簽訂期貨合同,然後到第二年春天交貨。我們現在所說的“看漲”期權和“看跌”期權,就是在那時被創造出來並廣泛交易的。
  那時候的投機者其實對交貨本身不感興趣,也無意要求擁有他們所買進的實際的鬱金香。當他們買進交貨的合約後,往往很快地將他的合同以贏利的價格再出售給其他熱衷者。這在今天被稱作“買空賣空”。
  天價鬱金香
  在《布萊恩維爾游記》中,記載了這樣一個情節,似乎很能體現鬱金香價格的瘋狂。一個年輕的水手因為通報船訊被一位商人獎賞一頓早餐。這個鬱金香投機商後來發現,貨物中少了一枝價值3000弗羅林,名為 “永遠的奧古斯都”的花莖。當他急匆匆地找到那個水手時,小伙子正津津有味地就著鹹魚大口咀嚼“那個被他當做洋蔥的東西”。
  有史料記載,一顆“總督”球莖可以換四條牛、八頭豬、十二只羊、四車黑麥或兩車小麥、兩桶白酒或四桶啤酒、兩桶黃油和半噸乾酪,外加大量傢具。在藍色本色上有紅白條紋的“奧古斯都”的售價是兩倍於上述價值的現金,外加馬匹齊全的馬車一輛。荷蘭人開始相信,不光荷蘭的投機者,其他外國投機者也會願意接受永遠上升的價格。實際上,此前在法國,一隻稀有的球莖就被用作支付一件珍貴的寶石的全部價格。
  一個故事可以說明當時的氛圍和人們的心情。當所有的荷蘭家庭都已潛心養植鬱金香的時候,海牙有一個鞋匠,在一小塊種植園地上最終培育出了一種黑色的鬱金香。一伙來自海爾勒姆的種植者拜訪了他,說服他把花賣給他們。鞋匠以1500弗洛林的價格把寶貝賣給他們,買家中的一個人立即把黑色鬱金香摔到地上,又用腳碾踩,直到它變成一灘爛泥。鞋匠驚呆了。買家們解釋說,他們也培育出一隻黑色鬱金香,毀掉這隻,他們自己的花就是獨一無二的了。他們情願付出一切代價,如果有必要,一萬弗洛林也在所不惜。心碎的鞋匠鬱郁寡歡,據說不久便因懊惱過度而過世。
  當狂熱升級時,其他經濟活動幾乎全放慢了。1636年,阿姆斯特丹、鹿特丹等地的股票交易所全部開設了鬱金香交易所。花價的漲落造就了一大批富翁,而花價的每一次高漲都使更多的人堅信,這條發財之路能永久地延伸下去,世界各地的富人都會跑到荷蘭,不問價格地收購所有的鬱金香。一枝花還沒露出地面,就已經以節節上漲的價格幾易其手。沒錢的人抵押房產借貸投資,巨額貸款不斷堆積到小小的花莖上。
  鬱金香的交易類似於期貨交易,但是在十七世紀,鬱金香交易遇到了比今天的商品期貨更多的問題。因為合同背後沒有會員公司支持,而且,如果誰最後真的要在數月之後接收一個特定球莖的交割,也不能確保他已經得到了合同所規定的標的,還要等到它真的開花以後。為了規範這一活動,荷蘭頒佈了新的法律,設置了鬱金香的“特別公證人”,指定了進行鬱金香交易的固定場所。
  “泡沫”總有破滅的一天。不知從哪一天起,不知為何緣故,一些更聰明或膽小的人開始退場。這個跡象被人察覺後,拋售即刻變為恐慌,花價從懸崖上向下俯衝。當瘋狂的價格最後坍塌時,荷蘭的整個經濟生活都崩潰了。債務訴訟多不勝數,連法庭都已經無力審理了。很多大家族因此而衰敗,有名的老字型大小因此而倒閉。一直到許多年後,荷蘭的經濟才得以恢復。


鬱金香狂熱


對鬱金香狂熱批判的宣傳手冊(1637年出版)


鬱金香狂熱1637年發生在荷蘭,是世界上最早的泡沫經濟事件。和英國的南海泡沫事件以及法國的密西西比公司並稱為近代歐洲三大泡沫事件。

狂熱的來由

「鬱金香狂熱」由何而來迄今沒有定論,之後有人提出這是因為民眾的貪婪和瘋狂所偶發的事件,也有人說價格大幅波動是一般市場機制使然。當時荷蘭是經濟大國,也是引發熱潮和泡沫化的旗手,但處於下等階層的民眾,則過著貧窮的生活苟延渡日。
當時的荷蘭北部七州因為對抗西班牙勝利,在17世紀初取得了實質上的獨立,自此荷蘭一躍成為了海上帝國君臨歐洲。又從葡萄牙手中奪取了香料貿易生意,再加上中歐身處三十年戰爭的陰霾下,讓商業活動都集中在了阿姆斯特丹,同時荷屬東印度公司經營巴達維亞也取得了相當可觀的利益。在這樣的時代背景下,使得荷蘭有著當時最高的收入水準,連海外的美術品也都集中在荷蘭。另一方面來說,荷蘭的物價也比其他的地區來得高,一個工匠的年收入推算約250荷蘭盾,這個數字只夠讓一家四口單求餬口。普通勞動者在泡沫經濟的時候,把家裡面所有的財物如家畜、生財用的工具都拿去變賣換錢。
當地流行的喀爾文教派以勤儉持家為美德,因此荷蘭人避免穿上華服,富人窮人的服裝並無二致,光從外觀很難察覺這個人是否富有。以此為信念的荷蘭人,為什麼會走上投機的道路,至今尚未解開這個謎題。
傳銷到荷蘭

鬱金香的發祥地據說是天山山脈,鄂圖曼土耳其帝國擴張勢力之後,發現了鬱金香且對它著迷。之後土耳其人攻陷了君士坦丁堡(今伊斯坦堡)後建造了莊嚴的宮殿,在當地開始栽培數種鬱金香並且進行品種改良,之後鬱金香在服飾和繪畫上面出現。16世紀的時候鬱金香經由商人在歐洲各地廣為流傳。
經由植物學家查爾斯·庫希烏斯(en:Charles de l'Écluse)的研究,讓人們對擁有龐大品種和系列的鬱金香開始有所了解。庫希烏斯在法蘭克福進行球根植物的詳細研究,1593年把多種鬱金香球根帶到萊頓大學繼續研究和栽培,這時候鬱金香開始傳入荷蘭。庫希烏斯的研究中發現了一種突變,後世稱為鬱金香雜色病(Tulip Breaking potyvirus),出現雜色病的球根會開出美麗條紋圖樣的花。這種病的來源在20世紀的時候才被解開,根源是鬱金香球根被病毒感染。
 鬱金香的特性

鬱金香是一種難以短時間大量繁殖的植物,因此造成了「鬱金香狂熱」中的缺貨狀態因而變得高價。鬱金香有兩種培養方法,一種是由種子開始培育,另外一種是由母球根複製齣子球根。前一種方法經由雜交可能會產生新種的鬱金香,但是到開花要歷經3至7年的時間。後一種方法從母球根來培養當年即可開花,一個母球根約可產生2至3個子球根,子球根要成長到母球根也要花一點時間,此外不發芽的種子和母球根數量也不少。基於以上的理由,鬱金香的培育速度無法趕上突然擴大的需求量。
 出現鬱金香泡沫的第一個重要原因是在短時期內,鬱金香球莖的供應量幾乎是一個常數,它不會因為需求量的增加而發生變化。即使鬱金香的價格上升,生產者也沒有辦法迅速增加供給。從供求關係上來看,鬱金香供給曲線很陡
行會的控制和操縱之下,鬱金香的價格被迅速抬了起來。買賣鬱金香使得一些人獲得了暴利。鬱金香價格暴漲吸引了許多人從歐洲各地趕到荷蘭,他們帶來了大量資金。外國資本大量流入荷蘭,給鬱金香交易火上澆油。
 狂熱的爆發

鬱金香狂熱潮可以分成三個階段:第一階段是供需不平衡而變得高價,第二階段是投機者開始進入市場,第三階段則是捲入了缺乏資本的平民。到了第三階段之後開始泡沫化,價格暴跌導致市場上一片混亂。
 愛好者們

1610年代,最初被鬱金香的美麗所吸引的是手頭寬裕的植物愛好者,因為鬱金香的球根一開始就是高價的商品。之後藉由這些園藝家和愛好者自己試著改良品種,產生了許多有名的品種,其中有名的高級品種例如「里弗金提督」(Admiral Liefken)、「海軍上將艾克」(Admiral Von der Eyk)、「總督」(Viceroy)、「大元帥」(Generalissimo)等,此外還有一個讓愛好者讚不絕口的品種,是因病變而產生的紫-白色條紋的「永遠的皇帝」。
雖然單色的品種價格較為便宜,但是也要1000荷蘭盾以上,隨著廣受大眾的喜愛價格更為提升。

投機分子的加入

在約1634年左右,鬱金香的大受歡迎引起了投機分子的目光,他們對於栽培鬱金香或是欣賞花的美麗並沒有興趣,只是為了哄抬價格取得利潤。此時鬱金香受歡迎的風氣從萊頓傳到阿姆斯特丹、哈勒姆等城市,需求量日漸擴大。這些投機分子有計畫地行動,有人因此一擲千金,當時甚至還有過一個高級品種的球根交換了一座宅邸的紀錄(如豪宅的炒作,刻意以天價成交一戶單位,藉以拉台豪宅的聲勢,其實以C/P值而言,豪宅也是泡沫化炒作的現象,現下大陸的房地資產炒作,何嘗不是如此,當無知的大眾進入市場之後,就是泡沫行將破滅之時)
當時鬱金香的高價可以從購買的單位看出,高級的品種用秤重的方式,以一個叫做aas(1 aas=0.05克)的單位來計價。次級的品種則用個來計算,再次級的則用袋裝的方式來販售。
在M.戴許所著的「鬱金香狂熱」一書中有以下的描寫:「1636年,一棵價值三千荷蘭盾的鬱金香,可以交換八隻肥豬、四隻肥公牛、兩噸奶油、一千磅乳酪、一個銀製杯子、一包衣服、一張附有床墊的床外加一條船。」,可見其價值。
這個時候鬱金香的交易以球根的現貨來買賣,所以交易主要在冬天進行。但是鬱金香是如此受歡迎,因此無論什麼季節都有交易的需求。
大眾普及化

鬱金香交易在短時間內讓人一擲千金的傳言在工匠和農民之間廣為流傳,吸引他們進入了這個交易市場,他們原本沒有資金,所以僅從買得起的程度開始進行,這種情況使得非頂級的品種價格也開始抬昇,漸漸出現了因轉賣而取得利益的民眾。市場的交易模式至此也開始改變,開始出現全年交易和引進了期貨交易制度。
這種交易的模式並非前往正式的證券交易所,而是前往酒店。交易也不需要使用現金或是現貨的球根,而是提出一份「明年四月支付」「那時候會交付球根」的票據,或是加上少許的預付款即可完成交易。這個預付款也並非限定只能使用現金,像是家畜或是傢具只要可以換錢的東西都可以抵用。因此這樣的票據轉過數手也出現了會連誰是債權人誰是債務人都不知道的情況。這種預付的制度也吸引了原本完全沒有資金的投機者參加,像是麵包師傅到農民都加入這個市場,因此需求量再次膨脹,就算是原本便宜的品種也飛漲。但是隨著價格飛漲,原本最初的買家也就是愛好植物的人開始變得不買,特別是民眾交易的低價球根,愛好者也看不上眼。

泡沫的瓦解

1637年新年前後,鬱金香的期貨合同在荷蘭小酒店中被炒得熱火朝天。到了1637年2月,倒買倒賣的人逐漸意識到鬱金香交貨的時間就快要到了。一旦把鬱金香的球莖種到地里,也就很難再轉手買賣了。人們開始懷疑,花這麼大的價錢買來的鬱金香球莖就是開出花來到底能值多少錢?前不久還奇貨可居的鬱金香合同一下子就變成了燙手的山芋。持有鬱金香合同的人寧可少要點價錢也要拋給別人。在人們信心動搖之後,鬱金香價格立刻就開始下降。價格下降導致人們進一步喪失對鬱金香市場的信心。持有鬱金香合同的人迫不及待地要脫手,可是,在這個關頭很難找到“傻瓜”。惡性迴圈的結果導致鬱金香市場全線崩潰。
情況最後震動了議會和市政府展開行動,最後做出了「在調查結束之前保留鬱金香的交易」的決定,這個決定使得票據失效,卻很快地把問題解決,留下少數的破產者和暴發戶,鬱金香狂熱時代就此結束。
事件的影響

鬱金香泡沫經濟的瓦解,對於荷蘭的經濟和之後的歷史如同蜻蜓點水一般,幾乎沒有留下任何的影響。雖然植物愛好者繼續追求高價的鬱金香,但是在史料上並沒看到對於其他產業的打擊,有較大影響的是在精神文化的層面。


 
最大笨蛋理論

最大笨蛋理論簡介

  凱恩斯(John Maynard Keynes)的“最大笨蛋理論”,又稱為“博傻理論(Greater Fool Theory)”“”:期貨和證券在某種程度上是一種投機行為或賭博行為。比如說,你不知道某個股票的真實價值,但為什麼你花20元去買走1股呢?因為你預期有人會花更高的價錢從你那兒把它買走,這就是凱恩斯所謂的“最大笨蛋理論”。你之所以完全不管某樣東西的真實價值,即使它一文不值,你也願意花高價買下,是因為你預期有一個更大的笨蛋,會出更高的價格,從你那兒把它買走。投機行為的關鍵是判斷有無比自己更大的笨蛋,只要自己不是最大的笨蛋就是贏多贏少的問題。如果再也找不到願出更高價格的更大笨蛋把它從你那兒買走,那你就是最大的笨蛋。
  “最大笨蛋理論”所揭示的就是投機行為背後的動機,投機行為的關鍵是判斷“有沒有比自己更大的笨蛋”,只要自己不是最大的笨蛋,那麼自己就是贏家。假如沒有下一個願意出更高價格的更大笨蛋來做“下家”,那麼你自己就成了最大的笨蛋。從有股票市場開始,這種“最大笨蛋理論”屢試不爽。 1720年,牛頓參與了英國股票投機狂潮,不幸成了“最大的笨蛋”之一。他因此感嘆:“我能計算出天體運行,但人性的瘋狂實在難以估測。”
  從大眾心理角度分析股市的理論中,“最大笨蛋理論”已經廣為人知。該理論認為,股票市場上的一些投資者根本就不在乎股票的理論價格和內在價值,他們購入股票的原因,只是因為他們相信將來會有更傻的人以更高的價格從他們手中接過“燙山芋”。支持博傻的基礎是投資大眾對未來判斷的不一致和判斷的不同步。對於任何部分或總體消息,總有人過於樂觀估計、也總有人趨向悲觀,有人過早採取行動,而也有人行動遲緩,這些判斷的差異導致整體行為出現差異,並激發市場自身的激勵系統,導致博傻現象的出現。這一點在中國股市表現得也曾相當明顯。
  對於博傻行為,也可以分成兩種,一類是感性博傻,一類是理性博傻。前者,在行動時並不知道自己已經進入一場博傻游戲,也不清楚游戲的規則和必然結局。而後者,則清楚地知道博傻及相關規則,只是相信當前狀況下還有更多更傻的投資者即將介入,因此才投入少量資金賭一把。
  理性博傻能夠贏利的前提是,有更多的傻子來接棒,這就是對大眾心理的判斷。當投資大眾普遍感覺到當前價位已經偏高,需要撤離觀望時,市場的真正高點也就真的來了。“要博傻,不是最傻”,這話說起來簡單,但做起來不容易,因為到底還有沒有更多更傻的人是並不容易判斷的。一不留神,理性博傻者就容易成為最傻者,誰要他加入了傻瓜的候選隊伍呢?所以,要參與博傻,必須對市場的大眾心理有比較充分的研究和分析,並控制好心理狀態。
  “投資要用大腦而不用腺體”是巴菲特(Warren E. Buffett)的名言。大腦要做的是判斷企業前景經營和大眾心理趨向,而腺體只會讓人按照本能去做事。巴菲特是格雷厄姆的學生,格雷厄姆是道氏的門徒。巴菲特也不是百分百地拒絕市場炒做,只不過在沒有找到更好的鞋之前決不會脫去腳上現有的鞋。所以說,對於博傻現象,完全放棄也並非是最合理的理性,在自己可以掌控的水平上,適當保持一定程度的理性博傻,可以作為非理性市場中的一種投資策略。
  在深滬股市中,投機氣氛總是或多或少地存在的,相當多的投機者並非理性,有時甚至就是瘋狂賭博。對於業餘投資者而言,這種博傻帶來的利潤不太容易把握,但對於職業投資者而言,應該嘗試著利用這種市場氛圍,投入一定比例的資金理性博傻。
  博傻行為時常會在消息面因素的推波助瀾下愈演愈烈。例如,某強勢股逐日上升,市盈率越來越高,顯然很不合理,並且也無消息說明該股有利多消息,但股價就是一個勁地直往上躥,惹得低位未買的交易者心直癢,於是高價買進,而踏空者的追漲會導致股價進一步上揚,越買越漲,越漲越有人買。而不久之後,讓人奇怪的是,市場自然而然地會冒出許多該股的利好傳聞,不合理的漲升也成為理由十足的上揚行情。所以市場派人士常認為,與其說是消息決定走勢,不如說是走勢決定消息,走勢好的個股會吸引買盤,也會吸引利好消息。因而選擇博傻策略的人無須認真研究個股基本面,唯一需要關註的就是股價的走勢和成交量的配合。追漲殺跌在這種操作上體現得淋漓盡致。嚴格地說,最大笨蛋理論的核心就是“順勢而為”。
  高價買進,低價賣出是股市操作大忌,但有人高價追貨能在更高價賣出;低價賣出,還可以在更低價位補回,這當然也不是壞事,或許正所謂 “藝高人膽大,膽大藝更高”。市場很多時候不能用簡單的價值理論去推測,人心狂熱的時候,理性的價值評估往往失效,這時,就需要從大眾心理的角度來思考問題,並依據對市場情緒的“望聞問切”來判斷行情最危險的時候是否已悄然而至。
凱恩斯炒出來的“最大笨蛋理論”
1908-1914年間,凱恩斯什麼課都講:經濟學原理、貨幣理論、證券投資等等。他因此獲得的評價是“一架按小時出售經濟學的機器”。凱恩斯賺課時費的動機是為了日後能自由而專註地從事學術研究免受金錢的困擾。然而,僅靠賺課時費是講到吐血也積攢不了幾個錢的。
  凱恩斯終於明白了這個道理,於是1919年8月他借了幾千英鎊做遠期外匯投機去了。僅4個月時間,他就凈賺一萬多英鎊,在當時相當於他講課10年的收入。投機客往往有這樣的經歷:開始那一跳往往有驚無險,錢就這樣莫明其妙進了自己的腰包。就在他飄飄然之際,他卻忽然掉進了萬丈深淵。3個月之後,凱恩斯把賺到的利和借來的本金虧了個精光。賭徒往往有這樣的心理:要從賭桌上把輸掉的贏回來。7個月之後,凱恩斯又涉足棉花期貨交易,狂賭一通並大獲成功。受此刺激,他把期貨品種做了個遍。還嫌不過癮,就去炒股票。在十幾年的時間里,他已賺得盆盈缽滿。到1937年他因病金盆洗手的時候,已經積攢起一生享用不完的巨額財富。與一般賭徒不同,他給後人留下了極富魅力的賭經———最大笨蛋理論,這可以視為他投機活動的副產品。
  有人猜測凱恩斯可能參加過報紙選美有獎投票,否則,他不可能用這麼一個例子:從100張照片中選擇你認為最漂亮的臉蛋,選中有獎。當然最終是由最高票數來決定哪張臉蛋最漂亮。你應該怎樣投票呢?正確的做法不是選自己真的認為漂亮的那張臉蛋,而是猜多數人會選誰就投她一票,哪怕她醜得像時下出沒於各種搞笑場合、令人晚上做噩夢的娛樂明星。這就是說,投機行為應建立在對大眾心理的猜測之上。期貨和證券賭博也是這個道理。比如說,你不知道某個股票的真實價值,但為什麼你花二十塊錢一股去買走呢?因為你預期有人會花更高的價錢從你那兒把它買走。馬爾基爾(Burton G.Malkiel)把凱恩斯的這一看法歸納為最大笨蛋理論:你之所以完全不管某個東西的真實價值,即使它一文不值,你也願意花高價買下,是因為你預期有一個更大的笨蛋,會出更高的價格,從你那兒把它買走。投機行為的關鍵是判斷有無比自己更大的笨蛋,只要自己不是最大的笨蛋就是贏多贏少的問題。如果再也找不到願出更高價格的更大笨蛋把它從你那兒買走,那你就是最大的笨蛋。
  對中外歷史上不斷上演的投機狂潮最有解釋力的就是這最大笨蛋理論。1593年,一位維也納的植物學教授到荷蘭的萊頓任教,他帶去了在土耳其栽培的一種荷蘭人此前沒有見過的植物———鬱金香。沒想到荷蘭人對它如痴如醉,於是教授認定可以大賺一筆,他的售價高到令荷蘭人只有去偷。一天深夜,一個竊賊破門而入,偷走了教授帶來的全部鬱金球莖,並以比教授的售價低得多的價格很快把球莖賣光了。
  就這樣鬱金香被種在了千家萬戶荷蘭人的花園裡。後來,鬱金香受到花葉病的侵襲,病毒使花瓣生出一些反襯的彩色條或“火焰”。富有戲劇性的是病鬱金香成了珍品,以至於一個鬱金香球莖越古怪價格越高。於是有人開始囤積病鬱金香,又有更多的人出高價從囤積者那兒買入並以更高的價格賣出。1638年,最大的笨蛋出現了,持續了五年之久的鬱金香狂熱悲慘落幕,球莖價格跌到了一隻洋蔥頭的售價。
  始於1720年的英國股票投機狂潮有這樣一個插曲:一個無名氏創建了一家莫須有的公司。自始至終無人知道這是什麼公司,但認購時近千名投資者爭先恐後把大門擠倒。沒有多少人相信它真正獲利豐厚,而是預期更大的笨蛋會出現,價格會上漲,自己要賺錢。饒有意味的是,牛頓參與了這場投機,並且不幸成了最大的笨蛋。他因此感嘆:“我能計算出天體運行,但人們的瘋狂實在難以估計。”

光譜學與元素的發現

光譜學與元素的發現:

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光譜學與元素的發現
                                                                                                                                                                陳俊豪
〔前言〕
  目前我們已經確定並命名的元素有一百零九種,其中有二十來個是 1937 年以後科學家在實驗室中以人工方法製造出來的,真正在地球上天然存在的只有八十八種。而這些天然元素的發現過程真是多彩多姿,五花八門,有的是在遠古時代就被人類熟知並利用的,像金﹑銀﹑銅﹑鐵﹑錫﹑鉛﹑汞等金屬及碳﹑硫等非金屬。有些是中世紀的鍊金術士在經年累月的摸索中所獲得的,像砷﹑磷﹑銻﹑鉍等。十八世紀初葉化學開始萌芽,以真正的實驗技術發現了鋅﹑鉑﹑鈷﹑鎳等。十八世紀中葉以後,由於經驗的累積以及有系統的分析與整理,化學得以迅速發展,發現了許多重要元素,如氫﹑氮﹑氧﹑氯等氣體以及包括錳﹑鎢﹑鈾﹑鈦﹑鈹
﹑鉻﹑鋨﹑銥等的約十八種金屬。進入十九世紀以後,由於 1800 年伏打電池的發明,開啟了電化學時代,科學家以電解法製得了鉀﹑鈉﹑鎂﹑鈣﹑鍶﹑鋇以及鋁等活性金屬,這期間另有像鋰﹑硼﹑溴﹑碘﹑矽﹑鎘 
.氟等十三種元素在歐洲各地陸續出爐。總計到 1850 年止,人類已知的元素一共有 59 種。
        1860 年代,光譜學興起,靠著分光器的發明,科學家又發現了銫﹑銣﹑鉈﹑銦﹑鎵等五個元素,並預
言了氦的存在。這些地殼中含量甚少的元素,如用平常化學上的礦物分析法,恐怕永遠不會被發現。本文擬從光譜學的發展談起,再談談光譜學在化學上的應用以及利用它來發現新元素的有趣過程。                                     
  〔光譜的發現〕
          光譜研究的鼻祖是鼎鼎大名的科學家牛頓,1663 年,當他還是一個劍橋大學 21 歲的大學生時就開始研究色與光的問題。三年後,他做了有名的三稜鏡光散射實驗,將一束太陽光經一塊三角形玻璃稜鏡折射後,在牆上分布成紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶。當再倒放一個三稜鏡於第一個三稜鏡後面時
,各顏色又重新組合成為一束白光。
  1672 年,在倫敦皇家學會上發表的第一篇論文「光和色的新理論」中,牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜 (Spectrum),並正確的解釋了它的成因:日光原是各種色光混合而成的,由於各色光的折射率不同,所以通過三稜鏡時被色散開來。他的說法澄清了亞理斯多德以來對於色與光的種種臆測與妄斷。其實牛頓並不是第一位觀察到這種色散現象的人,早在西元一世紀時,羅馬最偉大的政治家兼哲學家西尼卡 (L.A.Senica 4 BC-65 AD),就曾在他歸類整理的七卷「自然界問題」中提到,當陽光照過一塊角形的玻璃時,會呈現彩虹
的全部顏色,只是西尼卡認為那是玻璃將白光「著色」的結果。
        今日我們已知所有紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色光都是本質相同的電磁波,其唯一的差異只是波長不同,紅光波長最長,約 7500 埃 (1 埃= 一億分之一公分),紫光波長最短,約 4000 埃左右。這是我們人類視覺感官所能看見的範圍,稱為可見光 (Visible Light,簡寫為 VIS)。至於在這可見光譜的兩端還有什麼,既是人類眼睛所不可見,也就沒有人想到要去探究它了!
        事隔一個多世紀,到 1800 年,德裔英國天文學家威廉.赫瑟爾爵士 (Sir WilliamHerschel 1738-1822) 做了一個有趣的實驗,他將一個非常靈敏的溫度計放在經稜鏡色散開來的光譜中,測量各色光的溫度。結果發現愈向紅光方向溫度愈高,而且超出紅光後,在沒有色光的地方,溫度還繼續升高,他推斷在紅光之外一定還有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光,就這樣發現了波長比紅光更長的「紅外線」(Infrared,簡寫為 IR)。 紅外線具有較強的熱效應,因此也叫「熱線」。
        說起赫瑟爾這個人可真不簡單,他原是一名風琴師,中年後熱中於天文研究,以自製的高倍率望遠鏡觀測星空,在 1781 年發現了天王星而名噪一時。在四十多年孜孜不倦的「日有所思,夜有所見」的鑽研中,發展出「宇宙群島論」與「天體演化論」,並發現了天王星的兩個衛星﹑土星的兩個衛星﹑2500 個以上的星雲﹑星團,以及近 850 顆雙星。其妹卡洛琳(Caroline.L.Herschel 1750-1848) 以及他也受封爵的獨子約翰.赫瑟爾 ( Sir John Herschel 1792-1871),都是獨當一面的大天文學家,對天文學的發展各有許多重大的貢獻,倍受尊敬與推崇。大英與大美百科全書皆各有列傳。
        紅外線發現的第二年,1801年,德國的物理學家里特爾 (J.W.Ritter 1776-1810) 研究氯化銀的光敏現象,發現氯化銀如一般所知的,在可見光照射時會分解,但當暴露在可見光譜的紫端外側時,分解得更快。他因而推斷在紫光之外一定也有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光,那就是波長比紫光更短的紫外線(Ultraviolet,簡寫為 UV)。紫外線具有較強的化學效應,因此也叫「化學線」。其實里特爾最大的專長是電化學,1800 年伏打電池剛發明,他就首先利用它來進行電鍍,1802 年又首先製造出乾電池,次年更發明一種蓄電池,可惜天不假年,因貧病交迫,以 33 歲的英年辭世。
        1864 年,蘇格蘭物理學大師馬克士威 (J.C.Maxwell 1831-1879) 綜合庫侖﹑安培及法拉第的電磁場概念,以一套完整的合於邏輯的數學方程式,發展出重要的電磁學理論,預言了電磁輻射的存在,指出電磁輻射是藉波動型式以光速傳播,並將光視為一種電磁波。1888 年,德國物理學家赫茲 (H.R.Hertz 1857-1894) 在實驗室中產生了無線電波,測其波長和速度,發現其振動性以及反射﹑折射等特性皆與光波﹑熱波等毫無二致,而證明了馬克士威的理論-光和熱都是電磁輻射的一種型式。即光﹑熱以及其他各種電磁輻射,包括後來發現的﹑波長比紫外線更短的X光﹑伽馬射線以及宇宙射線等,本質上都是相同的,都是電磁波,只是波長不同而已。
        現在我們有依波長大小或頻率高低排列的「全電磁輻射光譜」。若由波長大的開始,則第一個是無線電的長波,以下依次是中波﹑短波﹑微波﹑IR﹑VIS﹑UV﹑X射線﹑伽馬射線,最後是宇宙射線。但要注意,其實在各種輻射之間並沒有真正的分界線,其間的變化乃是重疊與漸轉的。
        馬克士威在物理學史上的地位相當崇高,他是承先啟後的關鍵人物,上承牛頓﹑下啟愛因斯坦,他所發展的電磁場理論成為以後所有場論的模式。他還導出氣體分子速度與能量的分布律,對氣體動力論與統計物理學有重大貢獻。赫茲是第一位播出並接收無線電波的科學家,他的發明與發現應用在今日的廣播﹑電視與無線電通訊各方面,對人類的現代化生活有無比重大的貢獻,我們將他的大名用做波動頻率的單位,每秒一次稱為一赫茲,簡稱一赫,寫成 Hz,如收聽電台廣播,就常聽到報台時說:這裏是某某電台,中波週率幾
千赫,或調頻週率幾兆赫等等。

〔光譜的研究〕
        話說回頭,當紅外線與紫外線相繼被發現以後,光譜的分析又熱門了起來,科學家製作更精良的分光稜鏡來對光譜線做更精密的檢視。1802 年,英國的化學家伍拉斯頓 (W.H.Wollaston 1766-1828) 仔細的觀察太陽光譜時,注意到表面看來是連續的彩色光帶中,夾雜著不少的垂直暗線,他最初認為那或許是顏色間的界線
,後來想想,又覺得不可能,因為如前所述,各色間的變化乃是連續而逐漸過渡的,各色間不應該有條紋來區隔或劃分,何況有些暗線是出現在同一色區的中間。在不得要領之下,他只好把這些暗線的出現歸咎於稜鏡的缺陷。
        1814 年,德國的物理學家弗朗和斐 (J.von Fraunhofer 1787-1826) 發明了另一種色散的儀器--繞射光柵
,它不但色散作用比稜鏡大得多,而且對各色光分散得極為均勻,還可以直接測得各色光真正的波長。他用他的繞射光柵來製做各種光源的光譜,當他試驗太陽光譜時,也發現了伍拉斯頓所看見的暗線,他知道這些暗線不會是儀器因素造成的,因為他由繞射光柵所得的譜線與由稜鏡所得的相比較時,除更細緻﹑更清晰外,主要暗線的位置與波長居然是一樣的。他仔細的數一數他所能辨識的暗線,竟有 576 條,他把它們
一一標記下來,其中最主要的幾條,更依其明顯程度,依次標以英文字母 A﹑B﹑C﹑...G 的代號,當做描述用的固定點或參考點。後世即把這些暗線稱為「弗朗和斐線」。
        有一天,弗朗和斐忽然心血來潮,把他的分光儀一器二用,將光線入口處分成兩半,上半以陽光入射,下半以燃燒的鈉焰入射,於是得到了上下兩幅平行的光譜。他發現發出強烈黃光的鈉焰在光譜中有兩條很接近的明亮黃線,恰巧與太陽光譜中他標示為 D 的兩條暗線在同一位置上,(此即今日我們所稱的著名的「鈉 -D 雙線」),這意味著什麼? 他知道其中一定蘊藏有重大的玄機,只是不曉得答案在那裏!
        伍拉斯頓是個富家子弟,因研究出白金的純化方法使能在工業上大量使用而致富,而在對白金的研究中,又因意外的在 1803 年發現鈀﹑在 1804 年發現銠而成名。他制定出精確的當量表﹑證明了倍比定律﹑預見三度空間的分子概念,又發明了可以測量晶體角度的反射測角器,在礦物學上貢獻很大,有一種矽灰石礦就是為了紀念他而命名為伍拉斯頓石 (Wollastonite)。弗朗和斐的出身卻大不相同,十一歲就成了孤兒,在一製鏡商家中當學徒,又遇住屋倒塌,差點被壓死,獲救後得貴人相助才開始研究光學。31 歲成為慕尼黑附近一家光學研究所所長,以研究各種光譜終其一生。

〔光譜檢驗法〕
        有一個名叫馬格拉夫 (A.S.Marggraf 1709-1782) 的德國化學家,在1762 年發現,從植物鹼 (碳酸鉀) 轉化出來的各種鹽類(鉀鹽) 都會把火焰染成紫色,而從天然的蘇打鹼(碳酸鈉) 轉化出來的各種鹽類(鈉鹽) 則都會把火焰染成黃色,從此以後,人們就用這種方法來鑒別鈉鹽和鉀鹽。接著科學家很快就發現,不只鈉鹽和鉀鹽有特殊的焰色,許多金屬鹽類在燃燒時也都會產生特殊的焰色,如銅鹽的焰色是翠綠色的,鋇鹽的焰色是草綠色的,鈣鹽的焰色是橘紅色的,而鍶鹽和鋰鹽一樣都是鮮紅色的。於是發展出一種叫做「焰色試驗」的定性分析法,可以很方便的檢驗出某些鹽類中所含的金屬成分。以一根白金棒沾少許金屬鹽類溶液或粉末,置無色燈焰上加熱燃燒,則由燃燒產生的火焰顏色就可以判斷所含金屬之種類。
        繞射光柵的分光術發明以後,英國的物理學家泰爾包特 (W.H.F.Talbot 1800-1877) 1825 年製造了一種可以研究焰色光譜的儀器,然後將燈蕊浸在各種不同鹽類的溶液中,曬乾後點燃,觀察其光譜,發現各種金屬鹽類的火焰分光後所得的光譜,都是不連續的幾條亮線,各出現在其對應的顏色光區內,其中他注意到,鍶鹽和鋰鹽儘管焰色幾乎完全相同,但呈現的光譜卻迥然不同。他是意識到每種元素都有自己的一組特徵光譜的第一位科學家。
         1852 年,瑞典的物理學家埃格斯壯 (A.J.Angstrom 1814-1874)發表了一篇論文,列出一系列物質的光譜
,並正式指出每一種特徵光譜乃是某一種元素的特定標誌,光譜正像人類的指紋一樣,各種金屬元素所發射的光譜線的數目﹑強度和位置都不一樣,因此可以由光譜的分析來檢驗金屬元素的種類,更可由各元素譜線的相對強度來判斷混合物中各種元素的相對含量。至此,光譜學的應用進入了一個嶄新的時代,成為化學元素分析的一項利器。
        馬格拉夫是十八世紀最傑出的定性分析化學家,不但創始了許多今日在實驗室中仍常用的分析技巧,像兩性金屬與可和氨錯合的金屬的沉澱與溶解﹑礦石與溶液中鐵質的檢測﹑矽酸鹽礦物的有效分解,以及普魯士藍﹑氟化氫氣的製造等等,他還是甜菜糖的發現者呢!泰爾包特是照相術的先驅,首創了今日正﹑負片系統的「卡羅式照像法」,出版了世界上第一套用照片做插圖的書籍,也成功的攝製快速照片,開發出照相製版法。有趣的是他也是位傑出的語言學家,會翻譯亞述帝國的楔形文字。埃格斯壯來頭也很不小,物理學方面,他證明熱導率與電導率成正比,光譜學方面,他是最主要的奠基者之一,是太陽光譜最權威的研究者,今日我們的長度單位「埃」(十億分之一公分),就是以他的姓氏命名的。

〔光譜學的天文應用〕
        將光譜分析術集大成的,是一對在海德堡大學共同研究的德國科學家本生 (R.W.Bunsen 1811-1899) 與基爾霍夫 (G.R.Kirchhoff 1824-1887)。他們首先設計了一台精密準確又操作簡便的看譜鏡,簡化了光譜化學分析技術。接著他倆重新再做四十年前弗朗和斐所做的鈉焰實驗,弗朗和斐不是發現鈉光譜的兩條黃線恰在太陽光譜中他標示為 D 的兩條暗線位置而不知其所以然嗎?這次他倆讓連續光譜透過鈉焰的上方,那裏有未燃燒的鈉蒸氣,結果在一片連續的彩色光帶中竟然就出現了兩條明顯的 D 暗線。顯然,是鈉蒸氣將連續光譜中屬於 D 線波長的輻射給吸收掉了!於是他們在 1859 年發表了兩條有名的「基爾霍夫輻射定律」。其一謂每種化學元素都各有其特殊的光譜,其二謂每種元素所「吸收」的電磁輻射波長與所「發出」的波長相等,詳言之,當某元素在高熱燃燒時若能發射某種波長的光,則在較低溫時其蒸氣就會吸收相同波長的光。這第二條輻射定律就解釋了四十多年來一直不知其所以然的「弗朗和斐暗線」問題。
        本生與基爾霍夫認為高溫的太陽表面原會發出含有各種頻率的連續光譜,然而緊貼著太陽表面的大氣層,因為溫度比太陽光球的溫度低,其中所含的蒸氣成分,會依其化學元素特性而選擇吸收其特徵波長的輻射,所以太陽光譜中的各條弗朗和斐暗線都是其大氣成分元素吸收部分陽光波長所造成的。像暗線中的 D 線為什麼恰與鈉焰的雙黃線位置﹑波長一樣,就是因為太陽大氣中含有鈉成分,吸收了陽光中的這種波長之故,也就是說 D 暗線的存在正是太陽大氣中含有鈉成分的明證!
        他們就用這種方法比較太陽光譜中的弗朗和斐暗線與各元素的特性光譜,而在 1859年宣布,太陽大氣層中含有鈉﹑鐵﹑鈣和鎳而沒有鋰,但其中含量最豐的則是氫。他們的發現立刻轟動整個科學界,光憑一台簡單的看譜鏡居然能在地球上檢定出一億五千萬公里外的太陽的化學元素組成,真是太神奇了!今日以這種技術已確定太陽中有 63 種元素和11 種分子。將此法應用於其它星球上,已成為現代天文物理學家觀星的依據,為天文學提供了為數相當可觀的太空資料,包括銀河塵的存在﹑星球的速度﹑組成﹑磁性﹑溫度﹑和辨別單子星與雙子星等等。
        本生的名氣很大,他正是大家熟知的實驗用的「本生燈」的發明人。他終生未婚,在教室與實驗室中度過一生。早年在化學研究時,因一次爆炸而失去一隻眼睛,還曾因砷中毒而幾乎喪生,是典型的科學工作狂。發明了被稱為「本生電池」的碳鋅電池,以及過濾邦浦﹑冰量熱計﹑蒸汽量熱器和油斑光度計等儀器,以及碘滴定法等。但他最感興趣的乃是氣體分析,所著的「氣體定量法」一書是這方面的經典之作。基爾霍夫從前翻譯做克希荷夫,早年研究電學,以提出計算電網絡的電流﹑電壓和電阻的「克希荷夫定律」聞名。
後來與本生合作,轉而研究光學,兩人的合作成果之中,最重要的,除了前述光譜學的成就之外,就是下面要談的新元素的發現。

〔銣與銫的發現〕
        當光譜分析技術逐漸健全與成熟,本生與基爾霍夫忽然想到,既然各元素有各自特異的光譜型式,那也許有某種人類未知的元素,可以由分光鏡來發現。1860 年,兩人開始嘗試以光譜分析來探尋新元素。因鑑於鹼金屬的可見光譜最為明亮與靈敏,而且當時已知的鹼金屬元素只有鋰﹑鈉﹑鉀三種而已,應該還有其它鹼金屬存在才對,乃決定從尋找新的鹼金屬元素著手。
        已知有大量的鈉鹽和鉀鹽存在海水與礦泉水中,因為性質相當的元素通常容易共存,所以如果有新的鹼金屬存在,也應該可以在海水或礦泉水中找到。因此他們就開始收集各地的海水和礦泉水來進行分析與檢查。算來也很幸運,才沒幾個月,居然就真被他們找到了。他們取到瑞典杜克亥姆 (Durkheim) 地方的礦泉水,以分光鏡檢查其火焰,如意料中的,出現鋰﹑鈉﹑鉀﹑鈣和鍶等幾種元素的光譜,但是當他們將屬於鹼土族的鈣﹑鍶等元素沉澱之後,剩下的濾液濃縮後再重新分光,卻發現除了顯出鋰﹑鈉和鉀三種元素的光譜
外,還有兩條明顯的藍線。就當時所知,沒有任何一種元素的光譜是具有這兩條藍線的,所以他倆斷定,那必是一種新的鹼金屬元素,並替它命名為 Cesium ,取拉丁文「天藍色」之意,這就是銫。雖然本生和基爾霍夫沒能單離出這個元素,但科學界卻立刻承認他們的發現。這是人類所知道的第 60 個元素,也是由光譜分析法所發現的第一個元素。
        就在銫發現的數個月後,本生和基爾霍夫又拿到薩克森地方產的一種鱗狀雲母礦,將它製成溶液後,經例行步驟分離到只剩下鹼金屬時,以氯化鉑使生大量沉澱。以分光鏡檢視之,能看到鉀的紫色線光譜,但將沉澱反複洗滌後,發現鉀光譜逐漸消失,而剩下不屬於任何已知元素的兩條深紫線和兩條鮮豔的紅線。他們確信又找到了一個稀有的鹼金屬元素,於是在 1861 年提出報告,並以其譜線之深紅色而取名為 Rubidium ,這就是銣。乃人類所認識的第 61 個元素。
        銣原子序為 37 ,是第四個鹼金屬元素,佔地殼組成的萬分之三,是地殼中含量第十六豐富的元素,不算很稀有,但是化性太活潑了,在空氣中就會自燃,很不安定。它的熔點只有 39 度,在常溫下是固體,但在發高燒的人手中就熔成液體了。銣的用途不多,用於光電池或原子鐘,但不如銫精確。銫原子序為 55,是第五個鹼金屬,約佔地殼組成的百萬分之七,相當稀有。化性比銣還要活潑,在潮濕的空氣中也會自行燃燒。其軟如冷卻之奶油,熔點只有 28 度,冷天時是固體,但夏天或氣溫稍高即會熔為液體。銫的光電特
性很強,就是說在光照下很易失去電子,所以廣泛用於光電管﹑光電池中,以及在電視攝影機中形成電子圖像,近來則發展做深空之離子火箭推進引擎的燃料。

〔鉈的發現〕
        本生和基爾霍夫發現銣後不久,就有人提出報告,他也以攝譜儀發現了新元素。這個人叫克魯克斯(W.Crookes 1832-1919),是一位多才多藝的英國年輕科學家。他十九歲時就以研究「硒化合物」揚名立萬,硒是氧族的第三個元素,十年後的1861 年,他開始研究第四個氧族元素「碲」。因為硒碲與硫同族 (硫是第二個氧族元素),他認為想提取碲的話應該從含硫的物質中下手,於是由其師霍夫曼 (A.W.von Hofmann 1818-1892 以研究苯胺聞名的德國化學家) 處取得一家硫酸工廠中鉛室的殘渣,預備從其中提取碲。但是當他分
離出硒後,以分光鏡檢查其火焰光譜,卻沒有找到碲,反而意外的看到一條前所未見的絢麗的青綠色譜線。他認為那應該是一種新元素,馬上在自己於 1859 年創刊的「化學新聞」期刊上發表,他預言它是一種新的金屬,並且將它命名為 Thallium ,意為「綠色嫩枝」。第二年,他把這個「新金屬」的發現拿到世界博覽會上去秀,獲得優賞,大大出了一番風頭。
        然而,最先提製出純金屬鉈的是法國里爾 (Lille) 大學的拉米教授 (C.A.Lamy 1820-1878),他在克魯克斯的報導發表後數月,以王水處理硫酸廠的廢泥,再經一連串複雜的提煉手續,最後經電解而製得純鉈,並發現它有毒。隨後克魯克斯也獨力析離得純金屬鉈,並花十多年的功夫深入研究其性質。
        鉈原子序 81 ,是第五個硼族元素,在地殼中含量居第五十八位,也是相當稀少的一種金屬。沉重﹑但質軟﹑易溶,化性很活潑,其化合物具致命之毒性,三十年前曾用製滅鼠劑及殺蟲劑,現在的主要用途大都是利用它的特殊光學性質,做光學透鏡﹑稜鏡及紅外線光敏電池等。
        克魯克斯固是鉈的發現與研究方面的大功臣,但他最為人所知悉的事功卻不在此,而是在對陰極射線的研究方面。他將真空氣體放電管做各種精巧的改良,使陰極射線之特性可以得到詳細的研究,對於 1895 年X光的發現與 1897 年電子的發現都有不可抹煞的貢獻,這種「克魯克斯管」也成為今日實驗室中不可或缺的儀器。他發明的「克魯克斯輻射計」也是今日應用極廣的靈敏測量儀器。雖曾一度因沉迷超自然現象的研究而遭正統科學家的非議,終還是因功被英女王冊封為爵士。

〔銦的發現〕
        銦的發現過程與鉈有點類似,都是無心插柳的意外結果。鉈發現的次年,1863,德國礦物學家賴希 (F.Reich 1799-1882) 也想鍊製些鉈來研究,但他從一種含閃鋅礦的礦石下手。當他按一般例行的系統分析手續將硫與砷等雜質去除後,得到一種草黃色的沉澱,他需要知道該沉澱的成分是什麼,才能決定再下去要怎麼處理。由於賴希本人患有色盲,無法做光譜分析,就委請他的助手李希特 (H.T.Richter 1824-1898) 去做。當李希特將那沉澱物置本生燈焰上燒灼時,他從分光鏡中看見了一條明顯的靛青色明線,他先以為是本生和基爾霍夫所發現的銫,但經詳細比對,它與銫的兩條藍線並不重合。經再三實驗與考察,終於確認那是一種新元素的譜線,他們就依往例,因其靛藍 (indigo) 的譜線顏色而命名為 Indium 。隨後兩人又以化學還原法,成功的製得了純淨的金屬銦。
        銦是一個頗有趣的金屬,它的原子序為 49,是第四個硼族元素,化性與鋁相似,但外觀卻像錫,很軟
,用指甲就可以在上面刻痕,塑性奇佳,幾可任意壓捏變形,但彎曲時會發出尖銳聲響。在地殼中含量極少,估計僅約千萬分之一。因熔點很低,僅 156 度左右,因此目前多用於製造電鍍﹑焊接或消防器材等的低熔點合金,較先進的用途則與半導體及核反應方面有關。
        賴希一生擔任教職,李希特後來也成為一家礦務學校的校長,兩人都是腳踏實地的化學家與冶金學家,雖沒有頂尖的學術成就,卻由於銦的發現,終得以留名青史,也算令人豔羨的了!

〔鎵的發現〕
        鎵的發現頗為不凡。光譜分析術使人類在 1860 後的四年間連續發現了四個元素, 1863 年銦被發現為止,人類所認識的元素總共已有六十三個。1869 年,俄國的偉大化學家門得列夫(D.I.Mendeleyev 1834-1907) 深入探索元素性質與其原子量間的變化規律後,將當時已知的元素按原子量遞增的順序排列出「元素週期表」,將紊亂的化學元素納入一個合理的分類體系。他考慮到可能還有未知的元素沒被發現出來,因此對不太符合規律之處,寧願從缺,也不削足適屨,硬去分派歸屬。依此原則,他在週期表中留下了三個空位,認為那是人類還未發現的三個元素。1871 年,他還根據該空位上下左右各已知元素的物性和化性去預測該元素應有的性質,其中一個空位在鋁與銦之間,他稱之為「類鋁」。雖然門得列夫的週期表對元素的歸納與整理堪稱完美而理想,但對一個新的發現,尤其是他的預言,一般人仍感到半信半疑。
        事隔四年,在 1875 年八月,一位法國化學家勒科克.得.布瓦博德朗 (P.E.Lecoqde Boisbaudran 1838-1912) 在分析庇里牛斯山產的一種閃鋅礦時,意外的在氫氧化鋅沉澱的燃灼光譜中檢視到兩條前所未見的紫色譜線,他判斷那應該是一種新的元素。這次他不以其譜線顏色來為這新元素命名,而以法國的古名高盧 Gallia 來稱呼,名之為Gallium,這就是鎵。 兩個月後,他由數百公斤的閃鋅礦中,經一系列處理後,以電解法製得約一克的純金屬鎵,並對其原子量﹑比重﹑化性﹑物性以及其氧化物﹑氯化物﹑和各種鹽類的反性等做一系列的探討。
        布瓦博德朗興沖沖的把他的獨門發現發表在巴黎科學院的院報上。沒想到不久後他收到門得列夫的來信,除讚揚他的發現外,竟指出他所測定的鎵的比重 4.7 可能有誤,應該 5.9 到 6.0 間才對。布瓦博德朗感到很納悶,當時世界上除了他之外應該再沒有人擁有純金屬鎵,門得列夫怎麼有可能指正他?他小心謹慎的再重測鎵的比重,發現真的是他錯了,正確值是 5.94,果然在 5.9 與 6.0 之間。驚訝之餘,他對門得列夫的預測佩服得五體投地,週期表的威力從此名揚天下,立刻被各國爭相傳誦,成為化學最基本的原理。
所以鎵的發現是週期表廣被接納的最大關鍵。
        鎵是第三個硼族元素,熔點只有 30 度左右,溫度稍高於室溫即會熔化。但沸點卻超 2000 度,是所有元素中液態範圍最大的。它有一個特殊的性質,就是由液態凝成固態時,體積會略為膨脹。其存在約佔地殼組成的十萬分之一.五,居第 32 位。目前最重要的用途除了利用它奇大的液態範圍做高溫溫度計之外,就是摻在矽或鍺中以製正型矽或正型鍺,做為半導體材料。 
        布瓦博德朗家道殷實,二十歲即繼承家族的釀酒事業。由於對化學特有興趣,乃自費設立一家私人實驗室,自力研究化學。除發現鎵外,他還發現釤和鏑等兩個稀土族元素,一個業餘的化學家能有如此成就,也算異數。門得列夫則是正牌科班出身,是聖彼得堡大學的化學教授,他著的「化學原理」一書是當時最權威﹑最暢銷的化學教科書。除了週期律的發現足以讓他名垂千古外,他還是一位實業家,對俄國石油工業與製鹼工業的發展貢獻極多,也曾擔任公職,制定不少工商政策,又熱衷於社會改革,領導學生運動,是位傳
奇性人物。                     

〔氦的預言與發現〕
       氦元素的發現最富戲劇性了!
       銫﹑銣﹑鉈﹑銦四個元素都是經由光譜分析術發現的,憑著一具分光鏡與攝譜儀,加上耐心的收集與比對,就可以發現新元素而在科學史上留名,這實在太誘人了。許多化學家﹑物理學家﹑礦物學家及天文學家就專心致志的做各種光譜採集與分析,希望能有所斬獲,但是從 1863 年銦發現後卻一直再沒有佳音傳出。
        直到 1868 年十月的某一天,卻同時有兩人分別向巴黎科學院提出報告,聲稱在太陽光譜中又發現了新譜線。一位是法國天文學家讓森 (P.Janssen 1824-1907),一位是英國皇家物理天文台台長洛克伊爾(J.N.Lockyer 1836-1920),他倆都是研究太陽黑子與日珥的專家,在當年八月的一次日全蝕時,觀察到日珥光譜中有一條與「鈉 D-雙線」不同的黃色光譜。讓森原稱之為「D-3 線」,以別於鈉的 D-1 與 D-2 雙線,但洛克伊爾堅持那應該是一種未知元素的譜線。並依「太陽」的希臘語「helios」而將它命名為「Helium」
,中譯為氦。
        1869 年門得列夫為元素列出了完美的排行榜-週期表,各已知元素都有各自的歸屬,已經沒有空缺可以再安排一個新元素了。一般科學家也覺得在沒有其它佐證之下,光憑一條陌生的譜線就創造一個莫須有的元素,似乎有點牽強,因此都認為那一定只是某已知元素在異常環境下變相放射的結果而已。但洛克伊爾是光譜學的忠實信徒,他始終認定那一定是一種太陽上所獨有的簡單元素的譜線,這種元素可能是一般的正常元素在太陽內部的極高溫度與極高壓力下分裂形成的,地球上因為沒有那種高溫高壓的條件,無法形成,所
以才會不存在。
        1894 年,英國劍橋大學的物理學家瑞雷 (J.W.S.Rayleigh 1842-1919) 與倫敦大學的化學家雷姆塞(W.Ramsay 1852-1916) 從空氣中發現了氣體「氬」,它的性質跟所有已知元素完全兩樣,無法歸屬於週期表上的任何一族,也就是說它可能須自成一族,或者說週期表可能還有一整族元素都還沒被發現。第二年,1895,他倆分析從非晶鈾礦所釋放的氣體的光譜時,竟看見了 27 年前在太陽光譜中的所發現的那條 D-3 線!原來那種洛克伊爾所極力主張的﹑稱為「氦」的元素真的存在,而且不是太陽上才有,地球上也找得到
!後來雷姆塞以液化空氣的手段,從空氣中取得了這種「氦」氣,接著又陸續發現氪﹑氖和氙﹑氡等氣體。原來上述這六種氣體化性非常遲鈍,在自然界中像隱士般獨來獨往,根本不跟別人作用,難怪一直沒被發現。它們就被稱為「鈍氣」或「惰性氣體」,由於稀少,所以也稱「稀有氣體」,在週期表中就敬陪末座,自成一族,被排在最右一行。
        當氦被發現的消息傳出時,最高興與得意的恐怕就是洛克伊爾爵士了,你看!你們都不相信,現在總該承認了吧!也幸好他活得夠長壽,能在垂暮之年親眼目睹早年的見解得到證實,享受到勝利的果實。洛克伊爾一生曾多次領導遠征軍到全球各地觀察日蝕,對太陽的內外組成﹑黑子運動﹑能量轉換等各方面,都有獨到的研究,他的行星演化理論獲得英國皇家學會的獎章,他還創辦「自然」科學雜誌,自己擔任主編,是位相當活躍的學者。讓森的事功與洛克伊爾頗為近似,一生專事太陽之觀察與研究。普法戰爭期間,他乘氣
球逃離圍城巴黎,到阿爾及利亞觀測日蝕,一時傳為美談。他定期拍攝太陽照片,十年間集得照片六千多張,出版「太陽攝影集」一書,是最早的太陽寫真專輯。至於瑞雷和雷姆塞,兩人都是鼎鼎大名的大師級人物,瑞雷是 1904 年諾貝爾物理獎得主,雷姆塞則是同一年的化學獎得主,兩人在近代物理及化學上的貢獻至多且巨,無庸贅敘。
        氦是週期表上排行第二號的元素,在地球大氣中大約只占百萬分之五,但卻是大部份星星的主要成分。氦的工業用途極多,遍及航空太空﹑潛水﹑超低溫﹑超導體﹑半導體﹑氣相層析﹑粒子偵測﹑電弧焊接以及地質定年等各方面,它的發現對現代科技文明影響很大。

〔結語〕
        光譜學由祖師爺牛頓啟蒙,歷經伍拉斯頓﹑弗朗和斐﹑泰爾包特﹑埃格斯壯等歷代宗師的發展經營,到本生與基爾霍夫手上,終於大放異彩,成為一支獨秀的新興科學,不但是天文研究與化學分析不可或缺的利器,更由它發現了五﹑六個新元素。但是否它的歷史任務到此算完成了呢?答案是 NO! 更精彩的還在後面哪!
        如前所述,科學家發現每種元素都有其各自的特徵明線光譜,因此光譜就等於元素的指紋,在鑑別分析上大有用途。但是為什麼會如此?這些光譜是怎麼產生的?到十九世紀末葉為止,科學家雖然對光譜的運用已相當得心應手,但是對其由來還是僅止於知其然而不知其所以然的地步。他們雖極力想解開這個謎,但是都不得要領。直到人類的眼光不再局限於光譜中各譜線的頻率或波長關係,而改弦更張,從譜線間的距離關係去找線索,才逐漸揭開了其中的重大秘密,從而認識了原子中的電子結構與電子組態,終於在本世紀發
展出波瀾壯闊的量子力學。今日我們對原子結構的了解,可以說是由那些譜線所透露的蛛絲馬跡中逐步參研出來的,當然這又是另外的故事了!

2012年3月7日 星期三

NTOU-Marine Education Digital Archive-國立台灣海洋大學-海洋教育數位典藏-海洋運輸 [國際海事衛星(INMARSAT)系統]

NTOU-Marine Education Digital Archive-國立台灣海洋大學-海洋教育數位典藏-海洋運輸 [國際海事衛星(INMARSAT)系統]:

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國際海事衛星(INMARSAT)系統

(圖一)

緣起與發展
  國際海事衛星(International Maritime Satellite, INMARSAT)組織的構想,最早是由國際海事組織(IMO)於1966年所提出,於1976年9月3日通過『INMARSAT組織國際公約』。INMARSAT是一個會員國組織,其總部設於倫敦,創始會員國有28個,至1995年止,已有75個會員國,並陸續增加中。

  INMARSAT自1982年2月1日起,首先提供INMARSAT-A系統,讓航行於三大洋的船舶享有衛星通信服務,然而該系統已於2008年2月1日起停用;隨著通信技術由類比訊號改為數位訊號,INMARSAT於1991年增加了INMARSAT-C系統;並從1993年與1994年起,分別再增加INMARSAT-M和INMARSAT-B系統;2007年則推出最新的INMARSAT-F系統,提供所有船對岸或岸對船的高速通訊,船舶能藉此進行視訊會議、語音、傳真和資訊交換,還可使用加密功能。

目標
  提供衛星以改善一般的海事通信業務,並加強遇險和安全之通信。

組成
  INMARSAT主要是由下列三個部份所組成:
1.空間段:
  通信衛星共有4顆,分別位於太平洋區(POR)、印度洋區(IOR)、大西洋東區(AOR-E)以及大西洋西區(AOR-W),軌道高度約為36000公里,屬於同步衛星。由於衛星高度的限制,使得每顆衛星所能涵蓋的範圍約為東西經各70度,以及南北緯各70度,極區則為通訊盲區,如圖一所示。

2.地面段:
  由網路指揮中心(Network Operation Center, NOC)、網路協調站(Network Coordination Stations, NCS)以及海岸地球電台(Coast Earth Stations-CES)等三個部份所組成。NOC為INMARSAT之運轉中心,透過各洋區的NCS,可操縱整個INMARSAT系統;NCS是負責協調岸台與船台之間的通訊,直接控制和監視所屬洋區的通信情形,使資訊傳至整個INMARSAT系統;CES即為岸台,是衛星與地面網路通訊的關鍵,通常裝有一具直徑約11~14公尺的拋物線型天線,提供電傳與電話服務,如圖二所示。

3.移動站:
  INMARSAT系統的用戶為移動站,用戶可分為海陸空三大類,使用INMARSAT衛星進行海上移動通信者,稱為船舶地球電台(Ship Earth Station-SES),簡稱船台。各船台依所使用衛星系統的不同,可分為A, B, C, M等四種。

特色

  INMARSAT的優點是通訊品質優良,失真少且話質良好,不易受天候影響。南北緯70度以內皆為其通訊區域,範圍廣闊,且通訊的保密性高,不容易被截聽。

圖二、海岸地球電台(CES)之天線
圖二、海岸地球電台(CES)之天線
  • 來源:

    全球海上遇險及安全系統通用值機員訓練教材(2008),中華民國船長公會編印。
    圖片來源:GMDSS Handbook, 2001, IMO.
  • 著作者:

    商船系統工程研究室
  • 權限:

    海洋數位典藏計畫