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镜面金属

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威廉·赫歇尔所使用的镜面金属镜子位于伦敦科学博物馆的“科学博物馆40英尺望远镜英语40-foot telescope”上,直径为1.2米(49.5英寸)。[1]

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和三分之一的混合而成。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。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,例如钟青铜英语Bell metal

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,直到玻璃镀银技术英语Silvering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英语Newton's reflector、帕森斯敦的利维坦望远镜英语Leviathan of Parsonstown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

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英语Repoussé and chasing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

使用镜面金属镜片的望远镜在口径方面取得了重大突破,但其缺点也促使了与折射望远镜的竞争。
利维坦望远镜的金属镜片是当时口径最大的望远镜镜片,直到1917年的100英寸胡克望远镜(金属镜片嵌在玻璃上)出现。
这张照片展示了一个古老反射望远镜内部的构造,不清楚其中的反射镜片是否使用镜面金属,但它展示了反射镜片如何安放在望远镜管的内部。这款望远镜可以追溯到18世纪,最初使用的是金属镜片。

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英语First surface mirrors,以便实现所需的光学效果。这就是为什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英语Newton's reflector。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英寸)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英尺望远镜英语40-foot telescope[10]罗斯勋爵于1845年建造的直径183厘米(72英寸)的“利维坦望远镜英语Leviathan of Parsonstown”,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。这意味着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英语Figuring,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·斯坦海尔英语Carl August von Steinheil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英寸)。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英寸(91厘米)和1887年建造的60英寸(152厘米)反射望远镜,以及1908年建造的60英寸(150厘米)威尔逊山天文台哈勒望远镜,1917年建造的100英寸(2.5米)威尔逊山胡克望远镜,以及1948年建造的200英寸(5米)帕洛马山哈勒望远镜[10]

参考文献

引用

  1. ^ 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). 
  2. ^ Meeks 2013,第63–65页.
  3. ^ Joseph & Lu 1974,第238页.
  4. ^ Anthropological Institute of Great Britain and Ireland 1934,第71页.
  5. ^ Osborne 1975,第570页.
  6. ^ 6.0 6.1 Meeks 2013,第65页.
  7. ^ 7.0 7.1 King 2003,第74页.
  8. ^ Chambers & Thomson 1875,第175页.
  9. ^ 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. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Pettit 1956.
  11. ^ Time-Life Books 1990.

来源

延伸阅读

外部链接