Спекулярный сплав: медь, олово и история зеркал

Введение

Высокоотражающий мед-оловянный сплав

Спекулум-металл – это смесь, состоящая примерно из двух третей меди и одной трети олова, в результате чего получается белый хрупкий сплав, который можно полировать до получения высокоотражающей поверхности. Исторически он использовался для изготовления различных зеркал, от предметов личной гигиены до оптических приборов, пока не был заменен более современными материалами, такими как зеркала на стеклянной основе с металлическим покрытием. Смеси спекулум-металла обычно содержат две части меди на одну часть олова, а также небольшое количество мышьяка, хотя существуют и другие смеси, содержащие серебро, свинец или цинк. Это примерно вдвое превышает пропорцию олова к меди, обычно используемую в бронзовых сплавах. Археологи и другие специалисты предпочитают называть его «высокооловянной бронзой», хотя этот широкий термин также применяется к другим сплавам, таким как колокольный металл, который обычно содержит около 20% олова. Изготовление больших зеркал из спекулум-металла затруднено, а сплав склонен к потускнению, что требует частой полировки. Тем не менее, это был единственный практичный выбор для больших зеркал в высокоточном оптическом оборудовании с середины XVII до середины XIX века, до изобретения серебрения стекла. Спекулум-металл был известен своим использованием в металлических зеркалах рефлекторных телескопов, и известные примеры его применения включают телескоп Ньютона, «Левиафан» из Парсонстауна и телескоп Уильяма Гершеля, использованный для открытия планеты Уран. Основная трудность при его использовании в телескопах заключалась в том, что зеркала не могли отражать столько света, сколько современные зеркала, и быстро покрывались пленкой.

Ранняя история

Знания о создании очень твердого, белого, высокоглянцевого металла из бронзовых сплавов с высоким содержанием олова могли появиться в Китае более 2000 лет назад, хотя это также могло быть изобретением западных цивилизаций. Упоминания об этом, возможно, встречаются у Плиния Старшего. Безусловно, он использовался в европейском Средневековье, обеспечивая лучшую отражающую способность, чем обычные бронзовые зеркала, и медленнее покрываясь патиной. Однако олово было дорогим, и состав сплава требовал точного контроля. Примечательно, что зеркала, изготовленные из спекулярного металла, в то время и позже часто назывались "стальными зеркалами", хотя сталь в их составе отсутствовала. Он не подходил для обработки давлением, такой как чеканка и выбивка, из-за своей чрезмерной твердости, но хорошо поддавался литью в небольшие предметы и использовался для изготовления "ремней, пряжек, брошей" и других подобных мелких изделий, придавая им привлекательный серебристо-белый цвет.

Использование в телескопах

Спекулум металл нашёл применение в ранней Новой Европе как единственная известная хорошая отражающая поверхность для зеркал в отражающих телескопах. В отличие от бытовых зеркал, где отражающий металлический слой наносится на заднюю сторону стеклянной панели и покрывается защитным лаком, прецизионному оптическому оборудованию, такому как телескопы, необходимы зеркала первой поверхности, которые можно шлифовать и полировать в сложные формы, такие как параболические отражатели. Почти 200 лет спекулум металл был единственным материалом, способным выполнять эту задачу. Один из первых проектов, телескоп Джеймса Грегори, не мог быть построен, поскольку Грегори не нашёл мастера, способного изготовить сложные зеркала из спекулума, необходимые для его конструкции. Исаак Ньютон первым успешно построил отражающий телескоп в 1668 году. Его первый отражающий телескоп (конструкция, получившая название ньютоновского рефлектора) имел первичное зеркало из спекулум металла диаметром 33 мм (1,3 дюйма) собственной выработки. Ньютон также столкнулся с проблемой изготовления сложной параболической формы, необходимой для создания изображения, но ограничился сферической формой. Состав спекулум металла был дополнительно усовершенствован и продолжал использоваться в 1700-х и 1800-х годах во многих конструкциях отражающих телескопов. Идеальный состав составлял примерно 68,21% меди и 31,7% олова; большее содержание меди делало металл более жёлтым, а большее содержание олова – более синим. Для повышения устойчивости к потускнению использовались соотношения с содержанием до 45% олова. Хотя отражающие телескопы с зеркалами из спекулум металла могли быть очень большими, например, 126-сантиметровый (49,5 дюймов) «40-футовый телескоп» Уильяма Гершеля 1789 года и 183-сантиметровое (72 дюйма) зеркало лорда Росса для его «Левиафана из Парсонстауна» 1845 года, непрактичность использования металла заставила большинство астрономов предпочесть им более компактные рефракторы. Спекулум металл было очень трудно отливать и придавать ему форму. Он отражал всего 66% падающего на него света. Спекулум также имел неприятное свойство тускнеть на открытом воздухе, был чувствителен к влажности и требовал постоянной полировки для поддержания его полезных свойств. Это означало, что зеркала телескопа необходимо было постоянно снимать, полировать и переформовывать до нужной формы. Иногда это оказывалось сложной задачей, и некоторые зеркала приходилось забраковывать. В 1856–1857 годах было изобретено улучшение по сравнению со спекулумными зеркалами, когда Карл Август фон Штайнхейль и Леон Фуко представили процесс нанесения ультратонкого слоя серебра на переднюю поверхность (первую поверхность) отшлифованного куска стекла. Зеркала из серебряного стекла стали значительным улучшением, поскольку серебро отражает 90% падающего на него света и тускнеет гораздо медленнее, чем спекулум. Серебряное покрытие также можно было удалять со стекла, поэтому потускневшее зеркало можно было повторно посеребрить, не изменяя деликатную, точно отполированную форму стеклянной подложки. Стекло также более термостабильно, чем спекулум металл, что позволяет ему лучше сохранять форму при изменении температуры. Это положило конец эпохе отражающих телескопов с зеркалами из спекулума, последний крупный телескоп такого типа, Большой Мельбурнский телескоп с 122-сантиметровым (48 дюймов) зеркалом, был завершён в 1867 году. Началась эра больших стеклянных зеркальных рефлекторов, с телескопами, такими как 91-сантиметровый (36 дюймов) и 152-сантиметровый (60 дюймов) рефлекторы Эндрю Эйнсли Комона, построенные в Илинге в 1879 и 1887 годах, и первым из «современных» больших стеклянных зеркальных исследовательских рефлекторов – 150-сантиметровым (60 дюймов) телескопом Хейла обсерватории Маунт-Уилсон 1908 года, 250-сантиметровым (100 дюймов) телескопом Маунт-Уилсон Хукер 1917 года и 500-сантиметровым (200 дюймов) телескопом Маунт-Паломар Хейл 1948 года.

Speculum metal found an application in early modern Europe as the only known good reflecting surface for mirrors in reflecting telescopes. In contrast to household mirrors, where the reflecting metal layer is coated on the back of a glass pane and covered with a protective varnish, precision optical equipment like telescopes needs first surface mirrors that can be ground and polished into complex shapes such as parabolic reflectors. For nearly 200 years speculum metal was the only mirror substance that could perform this task. One of the earliest designs, James Gregory’s Gregorian telescope could not be built because Gregory could not find a craftsman capable of fabricating the complex speculum mirrors needed for the design. Isaac Newton was the first to successfully build a reflecting telescope in 1668. His first reflecting telescope (a design which came to be known as a Newtonian reflector) had a 33 mm (1.3 inch) diameter speculum metal primary mirror of his own formulation. Newton was likewise confronted with the problem of fabricating the complex parabolic shape needed to create the image, but simply settled on a spherical shape. The composition of speculum metal was further refined and went on to be used in the 1700s and 1800s in many designs of reflecting telescopes. The ideal composition was around 68.21% copper to 31.7% tin; more copper made the metal more yellow, more tin made the metal more blue in color. Ratios with up to 45% tin were used for resistance to tarnishing. Although speculum metal mirror reflecting telescopes could be built very large, such as William Herschel's 126 cm (49.5 inch) "40 foot telescope" of 1789 and Lord Rosse 183 cm (72 inch) mirror of his "Leviathan of Parsonstown" of 1845, impracticalities in using the metal made most astronomers prefer their smaller refracting telescope counterparts. Speculum metal was very hard to cast and shape. It only reflected 66% of the light that hit it. Speculum also had the unfortunate property of tarnishing in open air with a sensitivity to humidity, requiring constant re polishing to maintain its usefulness. This meant the telescope mirrors had to be constantly removed, polished, and re figured to the correct shape. This sometimes proved difficult, with some mirrors having to be abandoned. In 1856–57 an improvement over speculum mirrors was invented when Karl August von Steinheil and Léon Foucault introduced the process of depositing an ultra thin layer of silver on the front surface (first surface) of a ground block of glass. Silvered glass mirrors were a vast improvement, since silver reflects 90% of the light that hits it and is much slower to tarnish than speculum. Silver coatings can also be removed from the glass, so a tarnished mirror could be resilvered without changing the delicate precision polished shape of the glass substrate. Glass is also more thermally stable than speculum metal, allowing it to hold its shape better through temperature changes. This marked the end of the speculum mirror reflecting telescope, with the last large one, the Great Melbourne Telescope with its 122 cm (48 inch) mirror, being completed in 1867. The era of the large glass mirror reflector had begun, with telescopes such as Andrew Ainslie Common's 1879 36 inch (91 cm) and 1887 60 inch (152 cm) reflectors built at Ealing, and the first of the "modern" large glass mirror research reflectors, 60 inch (150 cm) Mount Wilson Observatory Hale telescope of 1908, the 100 inch (2.5 m) Mount Wilson Hooker telescope in 1917 and the 200 inch (5 m) Mount Palomar Hale telescope in 1948.