Posted by 化學值得你更多愛【談談碳 #1】
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大家好，今天我要說一個大秘密。
根據聯邦法律，所有在美國上市的酒類都含有放射性，
而且是【必須含有放射性】才能在市面上流通。
這太邪惡了。怎麼可以這樣。各位公民，趕緊呼籲禁止美國核食進口，連署網址：
ｈｔｔｐ：／／每日一冷．大平台．ｔｗ／ｎｏ＿ｎｕｋｅ
好啦麥鬧，今天是科宅時間，大家放心這並不是認真的，只是一個科學故事的引子。請先看完本文的來龍去脈，不要效法網路小白看到標題就開槍。
上頭那句看起來很驚悚的段子是出自於能源／核子物理學家，加州大學柏克萊分校的理查‧A‧穆勒，在他寫作的科普書《給未來總統的物理課》討論放射性的相關章節中提出的。
穆勒教授的論述是這樣，我手邊沒書，只好用我的理解加以轉述請見諒：
你們所喝的酒（科宅不喝）通常是以含有大量糖或澱粉的穀類、根莖類、水果、或糖蜜製成的，醣類就是碳水化合物，通式為 CnH2mOm，例如啤酒來自麥子、伏特加來自馬鈴薯、葡萄酒來自葡萄、蘭姆酒來自糖蜜、日本清酒來自米，再藉由微生物：酵母或是酒麴菌的新陳代謝過程產生的。
首先，澱粉這種多醣先被酵素分解為雙醣與單醣，然後被釀酒者裝到密封容器中以隔絕空氣，酵母處在缺氧狀態便開始絕地求生──開始無氧發酵作用，發酵會將醣轉化成丙酮酸，變為乙醛，再變為酒精（乙醇）。
因為發酵液的醣類含量非常高，酵母菌一直發酵一直發酵嘴角就好痠，產生的酒精一直堆積，直到濃度達到 16% 左右，酵母終於撐不住了，最終的命運是在自己的代謝廢物之中被毒死（OS：自我消毒）。啤酒可以說是人類犯下的一樁監禁大量酵母並殺害的慘案，酵母菌的遺骸被無知的人類邊看足球賽邊大口大口地喝下去，一直盛讚這實在是太營養，簡直是液體麵包。（抖）
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要得到比 16% 更濃，甚至是純的酒精，必須透過蒸餾。
早在公元九世紀，波斯的鍊金術師拉齊（Muhammad ibn Zakariya al-Razim 854-932 CE）就懂得以蒸餾從石油中萃取各種物質。這些基礎鍊金（化學）技術後來隨著地中海的貿易逐漸傳入南歐。
目前所找到最古老的【酒精】蒸餾裝置是十二世紀，義大利的薩萊諾（Salerno，就在龐貝城東南邊）的一間醫學院裡。據信就是在這所由僧侶所建的薩萊諾醫學院中，某位職員發現可以由釀造酒中蒸餾出純酒精，並用於保存標本，以及萃取草藥中的有效成分（酒精萃取的藥通稱為酊劑 = tincture）。原來是學術用、和藥用啦，絕對不是用來開趴之類的，那我就放心了。
差不多在同一時期在中國南宋的北邊，屬於金國的河北地區也發現了蒸餾酒器材的遺跡，想來也是從波斯和聖火教一起傳入的。總之，公元十二世紀世界上有了蒸餾酒／烈酒（liquor／spirit），感謝中世紀伊斯蘭鍊金術師的貢獻。
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但是，除了「有機」酒精，即由農產品：生質材料釀造，蒸餾或不蒸餾所得到的酒精之外還有另一條路，那就是「石化」酒精。
石化指的是化石燃料，是從裂解原油／煤炭／瀝青的產物、或者天然氣中，分餾（其實也是一種蒸餾，是依照沸點高低分離化合物，再次感謝鍊金術師的發明）得到的乙烯（ethylene）加工而成，乙烯是有機化學合成最基本的原料之一，例如可以在高壓之下用催化劑處理，使乙烯「聚合」成我們平常用的 PE 塑膠：聚乙烯（Polyethylene）。
另外，乙烯在硫酸或磷酸的催化之下，會與水分子進行水合（加成反應）反應得到乙醇。反應式為
[CH_2text{=}CH_2 + H_2O xrightarrow[]{H_2SO_4} C_2H_5OH]
這邊要交代的是，無論是「有機」乙醇還是石化乙醇，分子都長的一模模一樣樣是 C2H5OH，人體攝取之後經過的所有代謝反應，臉紅紅到發酒瘋，落得在爆料公社出洋相……都沒有差別。除非乙醇中混合有其他不該出現的東西，後面我們會談到。
但穆勒教授提出，其實有很簡單的方法可以區分「有機」乙醇或石化乙醇，那就是放射性：「有機」乙醇是有放射性的。石化乙醇百分之一百沒有放射性。
為什麼為什麼為什麼？都是因為，碳的年紀不同。
一切要從宇宙、地球、生物的交互作用說起。宇宙是個很險惡的地方，包括太陽、以及遙遠銀河系裡的脈衝星所發出的狂暴的磁場，會將一些輕巧的物質粒子，例如氫核，加速到接近光速，四處亂甩。這些沒有遮攔的粒子居然把月面的岩石都炸成了粉塵（月球根本沒有風，月塵不是風化產生，而是被隕石砸 + 強烈的輻射照出來的）。同時這些「宇宙射線」也狠狠地撞上地球的大氣層。
下圖，你看到地球的大氣層了嗎？應該沒有，因為太薄（地球直徑一萬三千公里，大氣層厚度約一百公里），而且我覺得我在去背的時候不小心擦掉了ＸＤ──大氣層就是包圍著地球太空船的這麼薄的一層防護罩。
宇宙射線一直轟炸大氣層，尤其是首當其衝的最外層大氣。射線的能量大得可以把原子撞碎，產生核散裂反應（Nuclear spallation）。其中一種反應過程中，會產生一顆遊走的自由中子，一不小心就撞進氮的同位素 氮-14 的原子核裡，並撞出一顆質子，氮元素立刻改頭換面變成碳家族了，這就是同位素 碳-14 的誕生。
碳-14 在大氣層中和其他較常見的碳，例如 碳-12 與 碳-13 一起以二氧化碳的形式漂浮著。直到有一天被行光合作用的植物，或是浮游生物中的藻類，或是藍綠菌所抓住，利用光能轉換成醣類。
這轉換，即光合作用，是一種了不起的鍊金術。藍綠菌在二十五億年甚至更早所發明的鬼斧神工。人類只有到最近才懂得竅門去模仿它。
碳-14 從二氧化碳進入了生物的循環當中，初級消費者吃植物，次級消費者吃初級消費者……等等過程，使得帶有放射性的碳-14 大致上均勻的進入所有生物的體內。
碳-14 不是很安分，每一顆經過大約 5700 年都有一半的機會會產生 β 衰變，放出一顆電子然後咻一聲變回 氮-14 ，這段時間就是它的半衰期。或等價地說，根據機率的大數法則，大量的碳-14，例如一莫耳 = 0.6 兆兆 = 6022 垓 個，過了 5700 年會有 幾乎一定 有一半的原子發生衰變。
那麼過了兩個半衰期，一半加一半，三好加一好，是否所有的碳-14 都會一命嗚呼、難逃大劫了呢？不是的，半衰期的離奇性質是，幸運的沒在第一個半衰期轉變的那一半碳，好像什麼事都沒發生。不，事實上也什麼事都沒發生，在第二個半衰期，與接下來的無數個半衰期之中，他們還是一樣有一半的機率發生衰變。放射性同位素原子，並不會因為壽命長而更容易死掉，就是「不會老化」。或是說，會一直像一個公正的銅板一樣，這一次擲出正面和下一次擲出正面的機率一點關係都沒有 但若擲出反面銅板就會瞬間爆炸變成金幣。
生物體在活著的時候一直從飲食中補充、交換「放射碳」，達到一個大宇宙與小宇宙之間的濃度平衡，一直要到生物體機能停止之後，不再與外在有著熱烈物質交換（新陳代謝）的遺體中，碳-14 的碼表就開始跳：以指數曲線遞減。經過一倍半衰期→1/2，兩倍→1/4，三倍→1/8 ……放射性的衰減在早期是最快的，到最後幾乎是水平線一丁點一丁點在衰減。
值得一提的是，過了十倍的半衰期，也就是五萬七千年，約六萬年之後，來自碳的放射性會減少到千分之一以下。因為 (1/2)^10 = 1/1024 ≒ 0.001。我們可以說大致上放射物質經過十倍半衰期就幾乎不存在了。爭論說千分之一還是存在，不能這麼隨便的同學，應該不會同意把薪水降為千分之一的，千分之一和沒有真的沒很大不同。
所以指數成長或衰減都是很可怕的，例如股市，以跌停板為 -10% 計算，連續跌 log(0.001) / log(0.9) = 65.6 支跌停板股價就會從千元股王變成一元壁紙。
例如引發福島核災的熔毀，及隨後發生的氫爆，可能挾帶著許多帶有 碘-131 的落塵散佈在當地。因為 碘-131 的半衰期大約是 8 天，一旦來源也就是反應爐獲得完全的密封控制，災區過了 80 天就幾乎測不到 碘-131 的存在了。況且還是擔心的話，不妨再等十倍半衰期，經過 160 天，放射碘含量會降到一千乘一千等於一百萬分之一，大家的甲狀腺就安全了。
十倍半衰期原理也告訴我們放射碳定年法（Radiocarbon dating）的極限，凡測量必有誤差，而碳定年這方法，其誤差最小、測量最準確的範圍大約是六千到六萬年之間，再多例如測量十萬年就比較勉強了，需要格外精密的去處理樣本。
雖然說對於新石器時代以來的「近代」人類歷史物件來說，六萬年夠用了，但是各位呀，下次當電影，或是飛碟節目出現「碳元素定年法發現這神秘古物是五百萬年前的ＯＯＯＯ」這種台詞，記得要笑，理由科宅當年有交代ＸＤ
而石油的碳是多少年份的呀？這個問題，只能從地質學裡估計岩石形成的速度來回答，基本上我們可以說，其所處在的岩石（例如頁岩）有多老，石油大約就有多老。「石油在什麼年代時候還是活著的生物」這個問題絕對沒有辦法問石油裡的碳-14，因為年齡動輒估計是千萬到數十億歲的石油中，完完全全，沒有碳十四。（換成數字來說，只要經過 80 倍半衰期，即 45 萬 6 千年，一莫耳的碳-14 只會剩下 0.5 顆，要測出這個濃度以今天的科技水準是毫無希望的。幾千萬年，沒門！）
註１：直到最近美國人才嘗試從原油中的錸─鋨放射同位素比例，直接測定石油的形成年代。
註２：人類的遠祖(?)，阿法南猿「露西」的骨骸被定年的結果是 320 萬年。咦？怎麼做到的。這就不是靠碳-14，而是靠生物體內同樣有放射性，但微弱得多的鉀-40，就是讓香蕉格外具有放射性的同位素。鉀有兩種衰變的路徑，會產生 氬-40 或 鈣-40。露西的年紀就是靠氬-40 測定的。因為鉀-40 有「12 億 5 千萬年」這麼長的半衰期。
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所以，直到最近都還是活著的生物的，由農產品釀造與蒸餾出來的酒，乙醇的碳原子中含有碳-14，其含量跟你我的身體的所有碳原子一樣，每一兆個之中有一個。因為稀少，碳-14 不是很嚴重的放射性汙染源，不比香蕉、胸腔 X 光，或長途飛行在高空中受到的宇宙射線。
而由「過期」太久的化石燃料加工、化合而成的乙醇，雖然結構跟釀造酒的乙醇完全一樣，但裡面的碳原子完全完全沒有放射性。他們早在數千萬年前都一一變回氮-14了 。
根據美國菸酒稅收與貿易管理局（TTB）發布的聯邦法律彙編（CFR）第 27 篇：《關於酒類、菸草、與槍枝》，第一章中記載。蒸餾酒品的來源應該與作為燃料、溶劑使用的工業酒精嚴格分開。
因此穆勒教授在書中說道：美國當局，不管是食品藥物管理局 FDA，或是菸酒稅貿管理局 TTB，理論上只要把酒類拿去驗一驗是否含有放射性碳。馬上就可以知道到底有沒有不肖廠商販賣由愛情石油煉成的酒。因此才有最開始的那句聳動台詞：
根據聯邦法律，所有在美國上市的酒類都含有放射性，而且是【必須含有放射性】才能在市面上流通。
厚，總算說明清楚了，科宅日冷人，我們下次見。
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科宅的內心Ａ：「ㄟㄟㄟ，別節外生枝了，見好就收呀。」
科宅的內心Ｂ：「不，行，這不是事實的全貌！穆勒教授其實是在胡扯呀」
瞎密呀，只好繼續釐清真相惹。
這個「美國酒依法必須有放射性」的故事，因為乍聽摸不著頭腦，但背後又有完全言之成理的物理加化學、天文加生物的梗可以說，感覺是個好故事。它也被多次重複引用，包括教育節目「Radioactive Alcohol – Periodic Table of Videos」和、「American Alcohol Has To Be Radioactive – Tom Scott」，我暴露在胡扯光線中兩次差點要信了。
直到準備寫這篇文章，我實際去看涵蓋幾千條法規的上述聯邦法律彙編（CFR）第 27 篇第一章。首先在名詞定義的章節我找到這條
Spirits or distilled spirits（烈酒與蒸餾烈酒）:
The substance known as ethyl alcohol, ethanol, or spirits of wine in any form (including all dilutions and mixtures thereof, from whatever source or by whatever process produced), but not fuel alcohol unless specifically stated. The term does not include spirits produced from petroleum, natural gas, or coal.（此條款不包含石油、天然氣與煤炭製成之酒精）
嘿，別高興太早，此條就只是在講說該章節所說的酒不包含「石化」酒精而已。事實上一整章翻找下來並沒有什麼「販售酒類應該被測定碳-14」或相關的規定。
為什麼？考慮一下美國菸酒稅收與貿易管理局（TTB）這個機關吧，它是設在美國財政部之下的稅務機關，稅務機關管制酒的來源無可厚非，但真有特別理由要聞石油色變嗎，聞逃稅色變還比較合理。略讀了法典稍微體會體會之後，我發現（因為沒有讀很深入，此段的正確性恕不負責）菸酒公賣對廠商進行控管的原則主要是「所有要進消費者嘴巴的酒精，其生產皆必須報備其成分處方，核准後販售，並抽稅」以及「燃料用酒精在運輸時須清楚標記，不得與酒精飲料相混」，雖然細節繁瑣包山包海，但並沒有明確提到石油酒精。
所謂燃料用酒精／工業酒精，就是加入變性劑，使其不適合飲用的變性酒精。變性酒精因為理論上不作為飲料販售，因此不抽稅，於是就會比食品用酒精便宜。但變性酒精絕對不許加進任何食物裡面，否則變性劑，最著名的就是甲醇，就會讓貪小便宜的食用者中毒。所謂菸酒稅，某種程度來說也是為了把關消費者健康，所收取的監督成本吧。
這和來自石油與否完全是兩回事。於是我想，如果 TTB 沒有禁止，會不會是由食品藥物管制局 FDA 在抽驗的呢？一查之下就發現這個網站 Does U.S. Law Require Alcohol to Be Radioactive? – Snopes.com (2016.12.23) Snopes.com 是調查網路流言的著名網站。他們向 FDA 查證的結果是 “zilch, nada, nil, nothing" ──並沒有這種法規存在。雖然機關之中有過這方面的討論，也寫了一些官方備忘錄，但距離成文立法還有十萬八千里。總之美國食藥局目前的態度是，石油酒精不是問題，只要標記清楚，沒有不實標記，不含其他不該有的成分。他們才不會去抽驗什麼碳-14 呢，成本與效益不符呀。
雖然法律沒有這種規定，不過如果廠商打算以「本食品完全由天然原料，不含石化產品」作為號召的話，倒是有美國材料和試驗協會（ASTM）登記在案的標準檢驗流程 ASTM D6866，可以精確的藉由測定碳-14 ，而知道樣本成分中多少比例是石油，多少是天然原料。雖然身為一個鍊金術科宅我認為原料是哪來並不能代表品質好壞，所以也沒什麼好號召的，不含不該有的雜質才是重點，而這要分別全盤檢視製造流程才能知道，無論是天然純手工或黑心純化工。
註３：ASTM D6866 有好幾種測量流程，其中一種的原理是，先把樣品完全焚化，取生成之二氧化碳與鋰金屬反應，生成乙炔二鋰（LiC≡CLi）。三個乙炔二鋰環化形成性質較穩定的苯。把苯丟到質譜儀中，精密的測量其分子量。Step 5: Profits!
幸好這篇我拖延到 2017 年才寫呀，否則就幫助流言的傳播了。穆勒教授羞羞臉 😳 在此本文真的完結了，大家掰掰。
每日一冷 