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用什么来让手表表盘和指针在黑暗中发光呢?

作者:万表世界内容来源:万表世界时间:2013-08-19

在黑暗中报时的问题,可以追溯到文明社会的早期。装配有问时装置的机械钟的发明,局部解决了这个问题,因为它可以根据需要“敲”出时和刻。那些有钱社区的人们,可以负担得起一个钟塔或一座钟,这样的话,只要注意敲钟的次数,人们就可在晚上知道相当准确的时间。在其他一些村落或者贫民窟的人们,在白天,他们没有别的选择,只能根据日晷来判断时间,而到了晚上则是用刻度蜡烛来计时。尽管后者的成本相当高,但其精确度却不怎么样(见图1)。到了19世纪,家用钟成了必不可少的物件,更多人用得起。摆钟被装在壁龛里,并放在卧室中,纳沙尔泰摆钟装有机械装置,能让钟根据人们的要求来报时和刻。用这种方式,就算你看不见钟面,你也可能知道最接近的时间。不久后,他的尺寸就被减小成了怀表的大小,并持续流行很长时间,直到十九世纪20年代早期,腕表被普及。

用什么来让手表表盘和指针在黑暗中发光呢?

在黑暗中发光的特性

光是什么?

光是一种能量的形式。为了得到它,我们必须提供另外一种形式的能量。最常见的两种发光方式就是炽热光和冷光。炽热光是一种“热光”,通过热能产生。太阳和宇宙中的其他星体发光,都是因为炽热光。当你给普通灯泡的灯丝通电时,“白炽光”就会充满房间。而另外一种方式,冷光,则是通过另一种能源发光,其温度很正常或较低。在这种现象里,能量促使原子中的电子从最低能量状态(电子基态)跳到较高能量状态(激发态)。然而,电子更喜欢基态,所以当电子回跳时,它会以光的形式释放能量。冷光的形式有几种,而每种都会根据其不同的能量来源而命名。其中一种非常著名的就是生物冷光,最常见的例子就是萤火虫,它们通过化学反应来发光。我们可以在实验室里,用适量的合成物,得到同样的效果,但是当化学反应停止时,发光也结束了。而生物体却能不断制造新的元素来发光。很显然,我们手表指针和表盘是做不到的。因此,我们要依靠另外两种方式在黑暗中发光:光激发光和辐射发光。

光激发光

光激发光的能量来自电磁辐射,如:光。一种光激发光材料吸收很长一段时间的光,然后它一般都会以低于所吸光的频率的形式发光。这种现象早在10世纪,当日本画家在使用有光激发光效果的牡蛎壳所制成的漆的时候,就被发现。有一个故事讲述了一个画家画了一幅山水画,画中描绘了一头公牛在夜间神奇地出现,而在白天又消失了。画家用清漆画了这只动物,其颜色和背景色一样,但此漆由研磨的牡蛎贝壳粉所制成。首次人工合成发光材料出现于17世纪的意大利,以“博洛尼亚之石”和“光之海绵”为名,由硫化钡的合成物所制成。十九世纪末,瑞士表匠们开始给计时器的表盘涂上天然发光漆,它的制造技术和早期的日本艺术家一样。在手表中使用光激发光材料的主要缺点就是所发光迅速减弱,并在几小时内完全消失不见。这种影响被称作“衰退”,且至今还存在,尽管用一些更有效的辐射发光物质取代后,“衰退”程度已较小。

辐射发光

辐射发光是由原子辐射所生的。γ射线和x光或α和β粒子就是用来激发辐射发光合成物中的电子,像硫化锌。这种辐射发光材料从1920年前一点起就开始被用在手表中,直到几年前才被弃用。这种表盘可以保持长时间的发光属性,都是因为它被涂上了硫化锌和放射源的混合物。在很多情况下,放射源为少量的钍,钷147或镭226。法国化学家玛丽.居里(1867-1934),以牺牲她自己健康为代价,发现了放射性元素镭。在那个时候,没有任何人警惕研究这种即便是极小量,却很危险的迷人新材料。因为她的研究,她患上了湿疹,并在此后死于白血病,这都很有可能是因为暴露于这种放射性物质而造成的。在很长的时间内,人们都没有意识到这些元素对健康或环境有危害。除了少数的核物理学家以外,大部分的人都没有意识到辐射的危险,直到二战期间,原子弹在长崎和广岛爆炸。事实上,甚至到了1945年,人们都认为辐射是有益的。就举一个例子,1936年德国,一个康复诊所仍然被建在了以前充满镭射气——氡的盐矿内。今天,住在多氡气区域的居民,都必须使用特殊的泵来抽掉自家地下室内的这种有毒气体。

即便在二战后,随着人们开始越来越意识到辐射的危害,但是我们仍然可以买到带镭涂层钟面的闹钟,而此涂层钟面甚至可以让盖革式计数器(辐射物质探测器)疯狂。有一个手表销售员的例子,他带着一个装满计时码表和手表的箱子,穿越纽约机场的安检点,这些表都装有发光表盘。高放射造成警报响个不停,而那一脸迷茫的小伙子也被抓住,拷了起来,带走了。尽管他没有被判有罪,但这件事对辐射发光材料在手表中的运用造成了极不好的影响。

氚的引入

下一个用来制造手表发光表盘和指针的物质是氚,它是氢的放射性同位素,原子质量大约为3。在这种元素中,辐射全部都是由β粒子所构成,并且它们几乎全都被手表水晶或覆盖表盘的表面玻璃所吸收。如今,氚在手表中的运用是遵循国际标准 ISO3157和NIHS 97-10,它们规定了能让表盘在黑暗中可见,所需光激发光材料量可接受的最低水平。根据辐射发光合成物质量的不同,其发光能力可保存几年。而质量同样会影响发光强度(见图2),这还要看沉积物的表面和厚度(见图3)。天然黄色颜料可以产生最好的效果。即便是氚的放射性和我们前面讨论过的同位素比起来已经弱了很多,但是在对它进行操作时,仍然需要特别预防。所有的工作台都需要安装真空罩,来去除有害蒸汽和微粒子。因为辐射发光材料混合了氚,所以在它们被运用到手表上时,同样被看作是辐射源,必须要小心处理。一旦进入手表里,表面玻璃下面,辐射发光材料就不再会对佩戴者的健康造成任何危害。然而,还是很难打消人们的疑虑,因此很多人在购买这种计时器前都很犹豫。

新型光激发光材料

由于潜在客户的担忧,同时加上美国要求制造商提供进口产品安全证书,致使瑞士制表者们重新审查光激发光材料的使用,以豁免辐射物质规定。

日本公司第一个找到了替代材料,他们称为LumiNova 和LumiBrite夜光涂料。尽管优于过去使用的光激发光材料,但是新材料同样无法满足在ISO 3157中规定的能见度最低标准。LumiNova 夜光涂料和氚合成物的对比表明,在开始的时候,光激发光材料更亮,但它却以指数速率减弱,在激发后的两种引证情况下,与氚的曲线分别在40分钟和120分钟处交叉。它会继续快速减弱,并在3到6小时时间后,发光强度就非常弱了。

这种新型材料的另一主要缺点就是需要暴露在阳光或强光下来“充电”。如果你把手表带在袖子下面,它就无法获得所需的曝光量,那样将会无法满足自我充电。现在,在瑞士,这种材料的生产是在专利使用权转让协定下实现的。然而,瑞士制造商的目标是创造一种更好的新型材料,不受专利权的限制且优于氚。一个瑞士制表研究协会ASRH,为一个项目提供资金,由洛桑大学和工艺学院EPFL来执行,研究改良手表光激发光的方法。

在黑暗中发光的特性

安全考虑?

与此同时,由氚所产生的辐射光仍然是让手表夜晚可见的最好解决办法。研究表明佩戴者不需要害怕他们的发光计时器的辐射释放水平。一篇在英国医学杂志《柳叶刀》(第343卷,8889号,1994年1月8号)发表的文章,比较了塑料发光表盘手表佩戴者通过皮肤所吸收的年辐射剂量和所有原因所吸收的年剂量。辐射剂量的表达单位叫做毫西弗。它测量有效剂量,考虑到了这种辐射和受到辐照射的身体某个特别部位。根据这个研究,一块塑料手表发出的年有效剂量仅为4毫西弗。胸腔X光照射仪暴露给人体70毫西弗的量。而年平均收到的自然辐射剂量则高达2100毫西弗。这很清楚地说明了塑料手表的辐射暴露是可以忽略不计的,且不会对健康造成危害。

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