镜面金属
镜面金属（英语：Speculum metal）是一种白色而脆弱的合金，主要由约三分之二的铜和三分之一的锡混合而成。这种合金可以透过抛光制成高度反射的表面。从古至今，镜面金属被广泛用于制造各种镜子，从个人修饰用品到光学器材都有应用，直到现代以金属镀膜玻璃镜取而代之。
镜面金属的成分通常是两份铜和一份锡，再加入少量的砷。也有其他配方中含有银、铅或锌。与青铜合金相比，镜面金属中的锡含量大约是铜的两倍。考古学家和专家更倾向于称之为“高锡青铜”，[2]但这个术语也用于描述其他含有约20%锡的合金，例如钟青铜。
制造大型镜面金属镜子相当困难，而且这种合金容易氧化，需频繁进行抛光。然而，在17世纪中叶至19世纪中叶之间，这是制造高精密光学设备所需的大型镜子唯一实用的材料，直到玻璃镀银技术的出现。
镜面金属主要应用于金属镜面反射望远镜，其中一些著名的例子包括牛顿反射望远镜、帕森斯敦的利维坦望远镜以及威廉·赫歇尔用于发现天王星的望远镜。然而，这种镜子无法像现代镜子一样反射大量光线，且容易氧化。
早期历史
[编辑]在中国，可能早在2000多年前，人们就掌握了将高锡合金的青铜材料制成坚硬、高光泽金属的技术。[3]这项技术可能也同时发展于西方文明。[4]古代著作《普林尼的自然史》中或许也有相关描述。在欧洲中世纪，人们已经开始使用这种金属制作镜子，相较于一般的青铜镜子，具有更好的反射能力且更不易氧化。然而，由于锡的价格昂贵，合金的成分必须准确控制。虽然当时和之后，这种镜子通常被称为“钢镜”，但实际上并不含有钢材。[5][6]
由于镜面金属过于坚硬，不适合进行压花和镶嵌等冷加工技术，但若用于铸造小型物品，效果非常出色。因此，镜面金属也广泛用于制作“黑暗时代的腰带配件、扣环和胸针”等小型饰品，呈现出迷人的银白色光泽。[6]
在望远镜中的应用
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在早期的欧洲，人们只知道硬铜镜金属可以作为良好的反射表面材料，用于制作望远镜。[7]不同于家用镜子，家庭镜子的反射金属层被涂覆在玻璃背面，并加上保护性的清漆。然而，望远镜需要一面可以制作成复杂抛物面形状的镜子，以便实现所需的光学效果。这就是为甚么在将近两个世纪的时间里，硬铜镜金属一直是唯一可以胜任这项任务的材料。早期的设计者詹姆斯·格雷戈里曾试图制造他的戈里望远镜，但由于找不到能够制作复杂硬铜镜的工匠，他的尝试以失败告终。[8]
1668年，艾萨克·牛顿成功制造了第一台反射望远镜。他的望远镜（后来被称为牛顿反射望远镜）使用了他自己研制的直径为33毫米（1.3英吋）的硬铜镜金属主镜。[7]与其他望远镜设计不同，牛顿简化了镜子的形状，采用了球面。随后，硬铜镜金属的组成得到改进，并在18世纪和19世纪用于许多反射望远镜的制造中。[9]
虽然使用镜面金属镜片的反射望远镜可以建造非常大的口径，例如威廉·赫歇尔于1789年建造的直径126厘米（49.5英寸）的“40英尺望远镜”[10]和罗斯勋爵于1845年建造的直径183厘米（72英寸）的“利维坦望远镜”，但金属材料的使用不实际，使得大多数天文学家更偏好较小的折射望远镜。[10]镜面金属镜片非常难以铸造和塑形，只能反射66%的光线。[10]镜面金属还有一个不幸的特性，就是在空气中容易氧化变黑，对湿度敏感，需要不断重新抛光以维持其有效性。这意味著望远镜镜片必须不断地取下、抛光和重新修整到正确的形状。这有时候很困难，有些镜片不得不被放弃使用。这还要求每个望远镜必须制造两个或更多的镜片，以便一个在抛光时另一个可以使用。夜间迅速冷却的空气会在大型镜面金属镜片中产生应力，使其形状失真，影响成像质量。罗斯勋爵的72英寸金属镜片上有可调节的杠杆系统，可以在无法产生可接受影像时调整其形状。[11]
在1856年至1857年间，卡尔·奥古斯特·冯·斯坦海尔和莱昂·福科引入了一种改进型的镜面反射望远镜技术，即在玻璃块的前表面（即第一表面）上涂覆一层超薄的银镜层。相较于使用铜镜，银镀玻璃镜的反射效果更好，能够反射90%的光线，并且不易氧化变黑。此外，银镀层可以被从玻璃上除去，因此即使镜面暗淡，也可以重新进行银镀，而无需改变精确抛光的玻璃基底的形状。与铜制镜相比，玻璃具有更好的热稳定性，能够在温度变化中更好地保持形状。这标志着铜镜反射望远镜的时代结束，最后一台大型铜镜反射望远镜是在1867年完成的墨尔本大型望远镜，其镜面直径为122厘米（48英吋）。随后，大型玻璃镜反射望远镜的时代开始，例如安德鲁·埃恩斯利·科蒙于1879年建造的36英吋（91厘米）和1887年建造的60英吋（152厘米）反射望远镜，以及1908年建造的60英吋（150厘米）威尔逊山天文台哈勒望远镜，1917年建造的100英吋（2.5米）威尔逊山胡克望远镜，以及1948年建造的200英吋（5米）帕洛马山哈勒望远镜。[10]
参考文献
[编辑]引用
[编辑]- ^ Original mirror for William Herschel's forty-foot telescope, 1785. Science Museum. [2008-11-23]. （原始内容存档于2009-09-02）.
- ^ Meeks 2013，第63–65页.
- ^ Joseph & Lu 1974，第238页.
- ^ Anthropological Institute of Great Britain and Ireland 1934，第71页.
- ^ Osborne 1975，第570页.
- ^ 6.0 6.1 Meeks 2013，第65页.
- ^ 7.0 7.1 King 2003，第74页.
- ^ Chambers & Thomson 1875，第175页.
- ^ 牛顿望远镜系统中的光线传播建模. COMSOL. [2023-12-25]. （原始内容存档于2023-12-25） （中文）.
- ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Pettit 1956.
- ^ Time-Life Books 1990.
来源
[编辑]- Anthropological Institute of Great Britain and Ireland. The Journal of the Anthropological Institute of Great Britain and Ireland 64. Anthropological Institute of Great Britain and Ireland. 1934.
- Chambers, Robert; Thomson, Thomas. A Biographical Dictionary of Eminent Scotsmen. 1875.
- King, Henry C. The History of the Telescope. Courier Corporation. 2003 [2023-12-25]. ISBN 978-0-486-43265-6. （原始内容存档于2023-07-02）.
- Meeks, Nigel. Patination phenomena on Roman and Chinese bronze mirrors and other artefacts. Susan La-Niece (编). Metal Plating and Patination: Cultural, Technical and Historical Developments. Elsevier. 2013 [2023-12-25]. ISBN 9781483292069. （原始内容存档于2023-12-25）.
- Joseph, Needham; Lu, Gwei-djen. Science and Civilisation in China: Magisteries of Gold and Immortality. Chemistry and chemical technology. Spagyrical discovery and invention 5. Cambridge University Press. 1974. ISBN 978-0-521-08571-7.
- Osborne, Harold. The Oxford Companion to the Decorative Arts. Oxford University Press. 1975. ISBN 0198661134.
- Pettit, Edison. Astronomical Society of the Pacific Leaflets. The Reflector. 1956-12, 7 (331): 249–256.
- Time-Life Books. Voyage through the universe: The Visible Universe. Time-Life Books. 1990 [2023-12-25]. （原始内容存档于2023-12-25）.