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手錶知識


在黑暗中發光的特性



在黑暗中发光的特性


問:

用什麼來讓手錶錶盤和指針在黑暗中發光呢?

Andrea Schwartz - 澳大利亞布里斯班

時間在黑暗中

在黑暗中報時的問題,可以追溯到文明社會的早期。裝配有問時裝置的機械鍾的發明,局部解決了這個問題,因為它可以根據需要「敲」出時和刻。那些有錢社區的人們,可以負擔得起一個鐘塔或一座鐘,這樣的話,只要注意敲鐘的次數,人們就可在晚上知道相當準確的時間。在其他一些村落或者貧民窟的人們,在白天,他們沒有別的選擇,只能根據日晷來判斷時間,而到了晚上則是用刻度蠟燭來計時。儘管後者的成本相當高,但其精確度卻不怎麼樣(見圖1)。到了19世紀,家用鍾成了必不可少的物件,更多人用得起。擺鐘被裝在壁龕里,並放在卧室中,納沙爾泰擺鐘裝有機械裝置,能讓鍾根據人們的要求來報時和刻。用這種方式,就算你看不見鍾面,你也可能知道最接近的時間。不久后,他的尺寸就被減小成了懷錶的大小,並持續流行很長時間,直到十九世紀20年代早期,腕表被普及。

在黑暗中发光的特性

圖1

光是什麼?

光是一種能量的形式。為了得到它,我們必須提供另外一種形式的能量 。最常見的兩種發光方式就是熾熱光和冷光。熾熱光是一種「熱光」,通過熱能產生。太陽和宇宙中的其他星體發光,都是因為熾熱光。 當你給普通燈泡的燈絲通電時,「白熾光」就會充滿房間。 而另外一種方式,冷光,則是通過另一種能源發光,其溫度很正常或較低。 在這種現象里,能量促使原子中的電子從最低能量狀態(電子基態)跳到較高能量狀態 (激發態)。然而,電子更喜歡基態,所以當電子回跳時,它會以光的形式釋放能量 。冷光的形式有幾種,而每種都會根據其不同的能量來源而命名。其中一種非常著名的就是生物冷光,最常見的例子就是螢火蟲,它們通過化學反應來發光。我們可以在實驗室里,用適量的合成物,得到同樣的效果,但是當化學反應停止時,發光也結束了。而生物體卻能不斷製造新的元素來發光。 很顯然,我們手錶指針和錶盤是做不到的。因此,我們要依靠另外兩種方式在黑暗中發光:光激發光和輻射發光。

光激發光

光激發光的能量來自電磁輻射,如:光。一種光激發光材料吸收很長一段時間的光,然後它一般都會以低於所吸光的頻率的形式發光。這種現象早在10世紀,當日本畫家在使用有光激發光效果的牡蠣殼所製成的漆的時候,就被發現。有一個故事講述了一個畫家畫了一幅山水畫,畫中描繪了一頭公牛在夜間神奇地出現,而在白天又消失了。畫家用清漆畫了這隻動物,其顏色和背景色一樣,但此漆由研磨的牡蠣貝殼粉所製成。首次人工合成發光材料出現於17世紀的義大利,以「博洛尼亞之石」和「光之海綿」為名,由硫化鋇的合成物所製成。 十九世紀末,瑞士表匠們開始給計時器的錶盤塗上天然發光漆,它的製造技術和早期的日本藝術家一樣。在手錶中使用光激發光材料的主要缺點就是所發光迅速減弱,並在幾小時內完全消失不見。這種影響被稱作「衰退」,且至今還存在,儘管用一些更有效的輻射發光物質取代后,「衰退」程度已較小。

輻射發光

輻射發光是由原子輻射所生的。γ射線和x光或α和β粒子就是用來激發輻射發光合成物中的電子,像硫化鋅。這種輻射發光材料從1920年前一點起就開始被用在手錶中,直到幾年前才被棄用。這種錶盤可以保持長時間的發光屬性,都是因為它被塗上了硫化鋅和放射源的混合物。在很多情況下,放射源為少量的釷,鉕147或鐳226。法國化學家瑪麗•居里(1867-1934),以犧牲她自己健康為代價,發現了放射性元素鐳。在那個時候,沒有任何人警惕研究這種即便是極小量,卻很危險的迷人新材料。因為她的研究,她患上了濕疹,並在此後死於白血病,這都很有可能是因為暴露于這种放射性物質而造成的。在很長的時間內,人們都沒有意識到這些元素對健康或環境有危害。除了少數的核物理學家以外,大部分的人都沒有意識到輻射的危險,直到二戰期間,原子彈在長崎和廣島爆炸。事實上,甚至到了1945年,人們都認為輻射是有益的。就舉一個例子,1936年德國,一個康複診所仍然被建在了以前充滿鐳射氣——氡的鹽礦內。今天,住在多氡氣區域的居民,都必須使用特殊的泵來抽掉自家地下室內的這種有毒氣體。

即便在二戰後,隨著人們開始越來越意識到輻射的危害,但是我們仍然可以買到帶鐳塗層鍾面的鬧鐘,而此塗層鍾面甚至可以讓蓋革式計數器(輻射物質探測器)瘋狂。有一個手錶銷售員的例子,他帶著一個裝滿計時碼表和手錶的箱子,穿越紐約機場的安檢點,這些表都裝有發光錶盤。 高放射造成警報響個不停,而那一臉迷茫的小夥子也被抓住,拷了起來,帶走了。儘管他沒有被判有罪,但這件事對輻射發光材料在手錶中的運用造成了極不好的影響。

氚的引入

下一個用來製造手錶發光錶盤和指針的物質是氚,它是氫的放射性同位素,原子質量大約為3。在這種元素中,輻射全部都是由β粒子所構成,並且它們幾乎全都被手錶水晶或覆蓋錶盤的表面玻璃所吸收。如今,氚在手錶中的運用是遵循國際標準 ISO3157和NIHS 97-10,它們規定了能讓錶盤在黑暗中可見,所需光激發光材料量可接受的最低水平。根據輻射發光合成物質量的不同,其發光能力可保存幾年。而質量同樣會影響發光強度(見圖2),這還要看沉積物的表面和厚度(見圖3)。天然黃色顏料可以產生最好的效果。 即便是氚的放射性和我們前面討論過的同位素比起來已經弱了很多, 但是在對它進行操作時,仍然需要特別預防。 所有的工作台都需要安裝真空罩,來去除有害蒸汽和微粒子。 因為輻射發光材料混合了氚,所以在它們被運用到手錶上時,同樣被看作是輻射源,必須要小心處理。 一旦進入手錶里,表面玻璃下面,輻射發光材料就不再會對佩戴者的健康造成任何危害。然而,還是很難打消人們的疑慮,因此很多人在購買這種計時器前都很猶豫。

在黑暗中发光的特性

在黑暗中发光的特性

圖 2和3

新型光激發光材料

由於潛在客戶的擔憂,同時加上美國要求製造商提供進口產品安全證書,致使瑞士製表者們重新審查光激發光材料的使用, 以豁免輻射物質規定。

日本公司第一個找到了替代材料,他們稱為LumiNova 和LumiBrite夜光塗料。儘管優於過去使用的光激發光材料,但是新材料同樣無法滿足在ISO 3157中規定的能見度最低標準。LumiNova 夜光塗料和氚合成物的對比表明, 在開始的時候,光激發光材料更亮,但它卻以指數速率減弱,在激發后的兩種引證情況下,與氚的曲線分別在40分鐘和120分鐘處交叉。 它會繼續快速減弱,並在3到6小時時間后,發光強度就非常弱了(見圖4)。

這種新型材料的另一主要缺點就是需要暴露在陽光或強光下來「充電」。如果你把手錶帶在袖子下面,它就無法獲得所需的曝光量,那樣將會無法滿足自我充電。現在,在瑞士,這種材料的生產是在專利使用權轉讓協定下實現的。然而,瑞士製造商的目標是創造一種更好的新型材料,不受專利權的限制且優於氚。一個瑞士製表研究協會ASRH,為一個項目提供資金,由洛桑大學和工藝學院EPFL來執行,研究改良手錶光激發光的方法。

在黑暗中发光的特性

圖 4

安全考慮?

與此同時,由氚所產生的輻射光仍然是讓手錶夜晚可見的最好解決辦法。研究表明佩戴者不需要害怕他們的發光計時器的輻射釋放水平。一篇在英國醫學雜誌《柳葉刀》(第343卷,8889號,1994年1月8號)發表的文章,比較了塑料發光錶盤手錶佩戴者通過皮膚所吸收的年輻射劑量和所有原因所吸收的年劑量。輻射劑量的表達單位叫做毫西弗。它測量有效劑量,考慮到了這種輻射和受到輻照射的身體某個特別部位。根據這個研究,一塊塑料手錶發出的年有效劑量僅為4毫西弗。胸腔X光照射儀暴露給人體70毫西弗的量。而年平均收到的自然輻射劑量則高達2100毫西弗。這很清楚地說明了塑料手錶的輻射暴露是可以忽略不計的,且不會對健康造成危害。










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