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4 2 饭后（第1页）

4。2饭后

●　看电视

吃完晚饭并收拾好厨房后，你坐在客厅的沙发上看电视。你对电视节目缺乏兴致，因为你只是偶尔看看新闻、自然和科学纪录片以及电影。你一直都认为电视是一个非常棒的传媒工具，具有巨大的文化潜力（在过去的意大利，它有着重要的教育作用）。但一段时间以来，电视节目内容的平均质量屡创新低。不过，撇开节目内容，电视机本身可以称得上技术瑰宝，其背后是几个世纪以来积累的科学知识，当然其中也不能缺少化学。

几年前，几乎所有电视的显示器使用的都是阴极射线管（cathode-raytube，CRT）。阴极射线管最早由英国物理学家、化学家威廉·克鲁克斯于1870年左右研制。克鲁克斯借助这种装置揭示了所谓的阴极射线（cathoderay）。19世纪末，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森发现，阴极射线由带有负电荷的微观粒子束组成，这些粒子被称为电子。原子的外部就是由电子构成的，因此所有的化学反应都伴随着电子的转移（见第一章第2节拓展：化学键）。对化学家来说，电子就像神一样，没有电子就不会有化学！

1897年，德国物理学家卡尔·费迪南·布劳恩（KarlFerdinandBraun，1850—1918）使用克鲁克斯管（阴极射线管）制作了第一台阴极射线管示波器（cathoderayoscillograph），这是一种能够在屏幕上显示电信号的仪器。1907年，俄罗斯科学家、发明家鲍里斯·罗辛（B，1869—1933）做了一个实验，他成功地在用阴极射线管制成的屏幕上显示出了几何图形——这就是电视机的雏形。

阴极射线管屏幕上的图像由阴极的电子束产生，电子束会被适当的电极加速，并由源自电视电路的电磁场“驱动”。屏幕内部由荧光粉覆盖。荧光粉是磷光材料，当它们被电子束击中时会发光。电子束的能量将荧光材料的最外层电子激发到更高的能级，当这些电子返回到它们原来的能级时，它们会以光的形式释放出多余的能量。最常用的荧光材料之一是硫化锌（ZnS），除了它，我们也会使用锌、镉、锰、铝、硅和一些稀有金属（稀土）的氧化物、硫化物、硒化物、卤化物或硅酸盐。但是，为了能够发挥其效果，这些材料中必须加入少量的磷光活化剂（Phosphoresceactivator）。磷光材料是一类半导体（见第一章第1节），活化剂的存在会在禁带内产生新的能级，这是触发磷光现象的必要条件。对于硫化锌荧光材料，广泛使用的活化剂是铜和银。

彩色电视使用了能够发出红、绿、蓝3种不同颜色的荧光粉，还都具有聚焦系统的3个阴极。每个阴极产生一个电子束，而每个电子束又只能激发3种颜色中的1种荧光粉。阴极射线管的电子束会产生少量的X射线，所以电视机的屏幕是由铅玻璃制成的，它可以吸收X射线。

目前，用阴极射线管制成的电视几乎完全被平板电视取代。平板电视的实现通常会使用到各种类型的技术，如[可能带有LED（发光二极管）背光的]液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）和有机电致发光显示（OLED）。

关于LCD和LED，我们已经在第一章第1节中的闹钟部分讲到过。当然，彩色电视的屏幕技术比闹钟的显示屏技术更为复杂，但它们的工作原理基本上是一样的。

而等离子显示器（PDP）使用的原理就有所不同了。“等离子体”是指由正离子和电子（同样来自气体原子的电离）的集合体组成的离子化气体状物质。它被认为是物质聚集的第四种状态，其他3种是固态、液态和气态。它的发现要归功于前面提到的威廉·克鲁克斯。但“等离子体”这个名字则是由美国人欧文·朗缪尔（IrvingLangmuir，1881—1957）——1932年的诺贝尔化学奖得主在1927年首创的。等离子体有特殊的性质，它由可以自由移动的电荷组成，所以它的导电性能优良，并且对电磁场也很敏感。在地球上，等离子体很少会自发形成，只有在闪电和北极光中才会出现等离子体。但在宇宙中，等离子体就很常见，比如恒星和星云就是由等离子体构成的。

等离子显示屏由两片玻璃组成，在这两片玻璃之间有成千上万个小单元，小单元里含有惰性气体氖（Ne）和氙（Xe）的混合物。在单元上连接着两组电极。通过适当的放电，惰性气体的混合物被转化并保持在等离子体状态。交流电压使带电粒子（离子和电子）来回移动。在这些条件下，气体等离子体发出人眼看不到的紫外线辐射。紫外线辐射通过覆盖在单元内壁上的磷光物质（荧光粉）转化为可见光。因此，每个单元就表现得像一个微型的荧光灯。

每个单元（对应一个像素）包含3个独立的子单元，每个子单元都有不同颜色的荧光粉，分别是红色、绿色和蓝色。通过改变流经不同单元的电流，控制系统可以改变每个子单元中颜色的强度，利用三色技术（见第一章第5节）创造出数十亿种不同的绿、红、蓝组合，提供极其精确的色彩渲染。液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PDP）与老式的阴极射线管显示器（CRT）相比有几方面优势。首先是它们的尺寸更小。另外就是LCD和PDP还提供了更稳定明亮且不闪屏的图像，这样即使我们近距离观看也不会感到疲劳。不过，这些显示器的单个像素的视角方面存在一些缺点，尤其是对于LCD屏幕来说。LCD屏幕也有可能在黑色的深度方面（屏幕无法做到纯黑）出现问题。因为即使液晶面板是“封闭”的，却仍有一些光线通过。而PDP屏幕就不会发生这样的情况，因为封闭的等离子面板不会发出任何光线。另一方面，在PDP屏幕中，像素的大小不能低于某个限制的值。正因此，才没有小于32英寸的等离子显示屏（屏幕尺寸是指其对角线的长度）。最后一点就是，PDP显示器中的荧光粉可能会随着时间的推移出现老化的迹象，从而使画面质量降低。

一段时间以来，市场上已经出现了采用OLED新技术制造的电视机。OLED是指有机发光二极管（htEmittingDiode）。正如我们在第二章第1节最后那里解释的那样，有机化合物是含碳化合物。用于OLED的有机物质有两种类型：小分子和聚合物（这里我们说的是LEP，发光聚合物，见第三章第2节）。

20世纪50年代初，在南锡大学（UyofNancy）的法国化学家和物理学家安德烈·贝尔纳诺斯（AndrBernanose，1912—2002）首次观察到有机物质在有电流的情况下发出光来（电致发光）。1960年，物理化学家马丁·波普（MartinPope，生于1918年）在纽约大学进一步开展了对有机化合物的电致发光现象的研究，为该现象的理论解释做出了重要贡献。1965年，加拿大国家研究委员会的沃尔夫冈·海尔弗里希（WolfgangHelfrich，生于1932年）和威廉·乔治·施奈德（WilliamGeeSeider，1915—2013），以及陶氏化学公司（DowChemical）的研究人员又做出了其他的贡献，他们为一种制备电致发光元件的方法申请了专利。

而首次对聚合物薄膜进行电致发光观察的则是英国国家物理实验室（NationalPhysicalLaboratory）的罗杰·帕特里奇（Re）。他在此过程中使用的是2。2微米厚的聚乙烯基咔唑[Poly（N-vinylcarbazole），PVK]薄膜，他们的成果于1975年获得专利，并于1983年发表。1987年，在伊士曼柯达公司（EastmanKodakpany）工作的中国化学家、物理学家邓青云（生于1947年）和美国化学家史蒂文·范·斯莱克（StevenVanSlyke）制作了第一台高效率、低电压的有机显示器。这些显示器由两层有机材料组成，一层作为空穴接受体，另一层作为电子接受体，从而以低电压实现高亮度。1990年，剑桥大学卡文迪许实验室（dishLaboratorye）的杰里米·伯劳斯（JeremyH。Burroughes）及其合作者利用100纳米厚的聚对苯乙烯[Poly（p-phenylenevinylene），PPV]薄膜的电致发光，实现了一个高效率的装置，使这一领域的研究又向前迈进一步。最后，在2008年7月，索尼（Sony）、东芝（Toshiba）和松下（Panasonic）公司宣布联合生产OLED技术的显示屏。典型的OLED屏幕是由位于两个电极（阳极和阴极）之间的有机材料层组成的，其阳极和阴极全部沉积在基板上。

导电聚合物之所以会导电，是因为其特殊的结构，即结构中碳原子之间的单键和双键交替出现[共轭聚合物（jugatedpolymer）]。这些材料的导电性能可与无机半导体相媲美。量子力学表明，这些分子拥有特殊的能级，该能级与被称为HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占分子轨道）的轨道有关，HOMO与LUMO之间的能量差对应于无机半导体的价带和导带之间的能隙。这种类型的聚合物中第一个被合成的是聚乙炔（Polyae，PAC），于1959年由居里奥·纳塔实现。但纳塔得到的是粉末状的聚乙炔，这显然没有什么意义。1974年，日本化学家白川英树（HidekiShirakawa，生于1936年）制得了薄膜状的聚乙炔。1977年，新西兰化学家艾伦·格雷厄姆·麦克迪尔米德（AlanGrahamMacDiarmid，1927—2007）和美国物理学家艾伦·杰伊·黑格（AlanJayHeeger，生于1936年）发现，聚乙炔可以像无机半导体一样进行掺杂，从而打开了有机电子学的大门。白川、麦克迪尔米德和黑格因这一发现获得了2000年的诺贝尔化学奖。

OLED技术可以制造出非凡的显示器，这种显示器屏幕如纸一般轻薄且极具柔韧性。而且，与普通的LCD显示器不同，OLED显示器不需要背光源，因为它们自身会发光，这样就可以节省大量的能耗。另外，由于OLED是由塑料材料制成的，因此可以使用油墨打印机，甚至是丝网印刷技术轻松地将材料印刷在任何基板上。OLED显示屏色彩丰富，亮度不错，视角也比LCD宽，黑色这个颜色的质地也要好很多。OLED的最大缺点就是它寿命有限，就目前而言，它比LCD和PDP的寿命都要短。但是这项技术还未成熟，未来肯定还会有很大发展。OLED的一个最新发展是AMOLED（有源矩阵有机发光二极管）。它也是由3层结构组成，包括阴极层、有机分子层和阳极层。然而，阳极层结合了一个形成矩阵的薄膜晶体管（ThinFilmTransistor，TFT）网络。这个薄膜晶体管网络构成电路，而电路决定哪些像素会被打开形成图像。这项技术使显示器变得更薄、更轻、更坚固，能在低功耗下运行，并以较低的成本（与普通的LCD相比）提供更好的图像质量。一些最新的智能手机已经使用了这种技术。

●　一个惊喜：烟花表演

由于电影非常无聊，你在沙发上睡着了，但是一声巨响让你惊醒。从窗户望去，你看到对面的山丘上在为庆祝守护神节日而进行的烟花表演。你发现烟花表演要比电影有趣得多，所以就站在窗前看起了烟花，这真是一个惊喜。

花炮的制造，或者说烟花的制造，起源于中国。欧洲在1300年前后开始发展烟花技术。这是一门古老的艺术，尽管它基本上是在经验的基础上发展起来的，但还是包含了有趣的科学，尤其是化学方面。

任何烟花的基础都是火药，也称为有烟火药或黑火药，它们同样也起源于中国，后由罗杰·培根（RuggeroBae，约1214—1294）传播到欧洲，他在1242年公开了火药成分。现在的火药成分和过去的一样，由75%的硝酸钾（或称硝石，KNO3），15%的煤粉和10%的硫黄粉（S）组成。在正常的燃烧中，燃料（还原剂）和助燃剂（氧化剂）发生化学反应，而火药（以及一般的传统炸药）的燃烧与正常的燃烧相差无几。唯一的区别就在于，火药的助燃剂（氧气）不是由空气提供，而是由组成火药的混合物中的一种固体成分（硝酸钾）提供。

在化学反应过程中，燃料向助燃剂释放电子，并与氧气结合。生成物中的特殊化学键比反应物中的特殊化学键更稳定。因此，该反应放热放能。点火后，反应发生得非常迅速，类似于能量的迸发。

烟花中的火药既是推进剂，也是炸药。火药中的燃料包括碳和硫。除此以外，也有其他可燃物质被用于烟花，如糖（用于烟幕弹）、硅和硼（主要用于引信）以及铝、镁和钛等金属元素。金属元素与空气中的氧气接触燃烧，产生高温并发出非常强的亮光（镁也用于摄影，以产生拍照时经典的闪光，见第一章第5节）。金属元素还用于产生伴随烟花爆炸时的发射光，十分引人注目。烟花表演中看到的光基本上来自3种机制：白炽、原子发射和分子发射。爆炸释放出的热量会使固体粒子达到高温状态，发射出宽范围的辐射光谱（白炽：某些物质由于处在高温状态下而发光的现象）。温度越高，发出的辐射波长越短。例如，镁燃烧产生的氧化物粒子的温度可达到3000℃，这个温度会导致物质发出非常强烈的白光。用高氯酸钾（KClO4）和铝的混合物也可以获得类似的闪光。

许多金属原子一旦因接收到了能量而被激发，就会发出属于可见光（波长为380～780纳米的电磁辐射）区域的电磁辐射。每种金属元素都有自己的发射光谱，该光谱的特点就是有明确的波长值（因此也有明确的颜色）。辐射的发射是由于能量较高的轨道（电子被激发后到达的轨道）和能量较低的轨道之间的电子跃迁。每个电子跃迁都确定了一个光子的发射，而这个光子的能量就等于发生跃迁的两个轨道之间的能量差。类似的机制也适用于那些一旦被激发就能发出辐射的分子。另外，激发分子也需要提高温度，但如果温度过高，分子就会分解，因此温度的把控尤其重要。

烟花表演中所看到的颜色来自物质的原子发射和分子发射，而这些物质是通过向火药中添加特定的焰色添加剂而形成的。因此，为了获得红色，我们添加了锶（Sr）的化合物，它会产生波长在605～682纳米的辐射。黄色是通过使用钠（Na）的化合物获得的，这种化合物发射波长为589纳米的辐射。添加钡（Ba）的化合物可以发出绿色，它发出的辐射波长为507～532纳米。烟花制造者要解决的一个难题是如何制得蓝色的烟花，因为没有任何元素会发出这种波长的辐射。氯化亚铜（CuCl）的使用解决了这个问题。只要温度保持在一个精确的范围内，氯化亚铜分子就会发出美丽的蓝色辐射。然后，通过结合不同的物质还可以获得特定的颜色。例如，紫色是从氯化锶（SrCl2）和氯化铜（CuCl2）的联合发射中获得的。

除了颜色，烟花在天空中描绘的“图案”也很重要。弹道方面由烟花的构造方法来调节。装填的火药作为推进剂，将火焰带到高空。在发射的那一刻，还点燃了延时引信，以便爆炸在高空中发生，最后爆炸就会诱发焰色反应。发射筒的结构可以实现多次连续的爆炸，产生奇异的效果。

我们说，烟花技术的发展基本上是建立在经验的基础上，并由少数家族世代相传。直到最近，科学界才开始研究这一主题。也因此，关于烟花技术的文献不是很多。在过去的作品中，值得一提的是范诺西奥·比林吉奥（Vannuccio，1480—约1539）的《论烟火》（Delapiroteia）。作者死后，这本书于1540年在锡耶纳（Siena）出版。这部作品涉及从金属的提取和加工以及火药的军事用途等各种主题[69]。

●　亲密生活中的化学：

避孕药和治疗**功能障碍的药物

令人惊喜的烟花表演结束了，你看了下时间，该睡觉了。你钻进被窝，但你和妻子都还没有睡意，然后……也许你从未想过这个问题，但化学也可以介入亲密关系中，影响你生活中最隐私的方面。

早在古代，人们就琢磨着如何节育，并且那时候就不乏化学方法的使用[70]。

埃及的《彼得里纸莎草书》（Petripapyrus），其历史可追溯到公元前1850年，上面有内容表明，在男女发生关系前必须将某种被认为是避孕制剂的东西塞进**。在另一部公元前1550年的纸莎草书——《埃伯斯纸莎草书》（Eberspapyrus）中则详细描述了可以被认为是历史上第一种能够杀死**的工具，它就是用蜂蜜和阿拉伯树胶浸湿后的羊毛棉球。其杀精效果可能源于阿拉伯树胶的发酵，因为发酵产生的乳酸为**的活动创造了一个不利的环境。在其他埃及纸莎草书中，也有建议使用浸泡在蜡和石榴籽提取物中的棉球。我们今天知道，石榴籽含有植物雌激素（phyten），这种物质能够与雌激素（estrogen，女性激素，见下文）的受体结合，影响促性腺激素（gonadotropin）的产生。公元前1世纪的印度教文献中记录了用化学手段避孕的方法，该方法使用的是药用植物，我们今天已经知道这些植物具有抗促性腺激素活性。在《塔木德》（Talmud）中还描述了浸有各种植物成分的**海绵的使用。在公元前5世纪，希波克拉底（Ippocrate）提出了一些口服避孕的方法，包括吞服硫酸铁和铜的混合物以及从各种植物（如番红花、月桂树、荨麻种子或牡丹的根部）中提取的制剂。

在罗马帝国时期，除了使用清洗避孕法外，动物的**也开始被用作受精的机械障碍，由此出现了第一种简单粗糙的**。多个世纪以来，动物薄膜（**和肠子）和布料是用于这一目的的仅有材料。1555年，来自摩德纳（Modena）的医生、自然学家加布里埃尔·法洛皮奥（GabrieleFalloppio，约1523—1562）发表了关于男用**的科学文章，表明**除了用于避孕，还可以有重要的预防作用，特别是防止梅毒的感染。直到1839年查尔斯·古德伊尔（CharlesGoodyear）发现了橡胶的硫化过程（参见第三章第2节），我们才有了制作**的合适材料，并且由此促进了**的传播。但与此同时，人们也在继续努力寻求有效的化学避孕方法。例如，1880年，伦敦的药剂师沃尔特·伦德尔（WalterRendell）发明了一种杀精制剂，该制剂具有卵子的形状，由可可脂和硫酸奎宁制成。在20世纪，人们为获得有效的化学避孕方法不懈努力着。

1901年，奥地利生理学家路德维希·哈伯兰特（LudwigHaberlandt，1885—1932）证实，月经受到卵巢以及大脑产生的一种激素的调节。哈伯兰特还在1919年证实，将妊娠母兔的卵巢切除，然后移植到非妊娠兔子的体内，可以抑制非妊娠兔子的排卵。1929年，德国生物化学家阿道夫·布特南德（AdolfButenandt，1903—1995）成功地分离出雌酮（estrone），随后又分离出其他主要的男性和女性的性激素，如雄甾酮（androsterone，1931年）、孕酮（progesteroerone，1934年）。由于这些成就，他在1939年获得了诺贝尔化学奖。同时，由于玛格丽特·桑格（MargarethSanger，1879—1966，她是一名护士，也是节育倡导者）等人的斗争，在医学领域和社会层面，人们开始接受计划生育，尽管此时还有宗教阵营不断进行意识形态上的抵制。1912年，英国开设了第一家节育诊所。1926年，上议院授权启动了有关这些主题的教学课程。与此同时，第一批激素类的避孕药也开始投放市场。1934年，在德国先灵制药公司（SgAG）的实验室里，化学家欧文·史威克（ErwinSk）和弗里茨·希尔德布兰德（FritzHildebrand）成功合成了用于还原雌酮的雌二醇（estradiol）。1934年，同样是在先灵公司实验室里，德国化学家汉斯·英霍芬（HansInhoffen，1906—1992）和医学家沃尔特·霍尔维格（WalterHohlweg，1902—1992）成功合成了炔雌醇（ethiradiol）（图36）。这一成就非常重要，因为炔雌醇至今仍是口服避孕药中常用的雌激素成分。他们还制作出了第一种合成孕激素制剂。1944年，哥廷根（Gottingen）的维尔纳·比肯巴赫（WernerBibach）和保利科维奇（E。Paulikovics）通过使用孕酮成功实现了对女性排卵的抑制。

图36　炔雌醇的分子结构

口服避孕药发展的转折点是在1950年，创立了美国计划生育协会（PlahoodFederationofAmerica）的玛格丽特·桑格遇到了美国生理学家格雷戈里·平卡斯（GregoryPincus，1903—1967）。平卡斯一直在进行激素实验，但他资金告急，研究面临中断的风险。桑格便设法让凯瑟琳·德克斯特·麦考密克（KatharierMick，1875—1967），一位坚定地捍卫妇女权利的富有寡妇，向他捐赠了一大笔钱。几年后的1956年，格雷戈里·平卡斯与他的同事、中国生物学家张明觉（1908—1991）和哈佛大学的妇科医生约翰·洛克（JohnRock，1890—1984）一起，进行了对雌激素、孕激素药片（药片中的激素剂量比今天高40倍）的首次临床试验。这项实验在美国被认为是非法的，因此该实验是在波多黎各（PortoRico）和海地（Haiti）的67名志愿者妇女身上进行的，并且宣称是一项针对月经紊乱的研究。随后他们又在波多黎各和墨西哥进行了进一步的实验。最后实验的结果非常成功，第一批避孕药于1960年在美国注册并开始销售。1961年6月10日，柏林的先灵制药公司在欧洲和澳大利亚上市了第一款口服避孕药Anovlar?。