攝影的科學

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原始設計者:曾郁然

1842年，約翰·赫歇爾爵士(Sir John Frederick William Herschel)使用鐵氰化鉀 (赤血鹽，K3[Fe(CN)6])與檸檬酸鐵銨(ferric ammonium citrate)製作出對光較為敏感的塗料，並稱之為氰版印刷。


實驗材料：

  1. 12.5% 10mL檸檬酸鐵銨(ammonium ferric citrate)
  2. 12.5% 10mL鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)
  3. 35% 雙氧水
  4. 50mL 燒杯
  5. 水彩紙
  6. 透明投影片
  7. 麥克筆
  8. 長尾夾
  9. 木板
  10. 水彩筆或毛刷
  11. 剪刀或小刀
  12. 方形淺盤
  13. 滴管
  14. 手套



1.現象說明

日常生活中，很多物品的保存須知都註明避免陽光直射，甚至是以深棕色瓶裝來減少陽光造成變質，也因此我們可以推論陽光是可以和物質進行化學反應的。照光後，溶液中的檸檬酸根離子因為日光中的紫外光而分解，產生丙酮-1,3-二乙酸（CO(CH2COOH)2）、二氧化碳以及電子；緊接著，溶液中鐵離子（Fe3+）得到電子，生成亞鐵離子（Fe2+），再與鐵氰化鉀 (赤血鹽，K3[Fe(CN)6])形成亞鐵氰化鐵 (普魯士藍，Fe4[Fe(CN)6]3)。

2.探究問題

  • 2.1 使是什麼因素影響了顏色的深淺?
  • 2.2 除了日光，其他光源能不能使相紙變色?
  • 2.3 加入過氧化氫水溶液為什麼能夠使顯影的時候顏色對比變明顯?

3.實作項目

  • 3.1步驟
  • 3.1.1 配置感光液與調色劑：
A溶液：12.5% 檸檬酸鐵銨(ammonium ferric citrate)溶液 10m。
B溶液：12.5% 鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)溶液10 mL。
在陰暗處或使用棕色瓶將A溶液與B溶液混合，即完成感光液。
(註：20mL感光液約可塗佈A4大小(210mm x 297mm)紙張2-3張。)
  • 3.1.2 製備相紙：取水彩筆或毛刷，沾感光液後均勻塗布在水彩紙的粗糙面上，並於陰暗處陰乾。
  • 3.1.3 製備底片：本實驗中可直接利用麥可筆在投影片上畫出圖案後進行曝光，或是利用電腦軟體將照片圖檔轉換成黑白圖像後，再轉換成負片輸出。
  • 3.1.4 顯影：於陰暗處將相紙至於木板上，再將投影片放上後以夾子固定。至於陽光下曝曬約5~20分鐘(視天氣情況而定)，待相紙上的感光塗料變色即可。(圖一)
  • 3.1.5 定影：將淺盤裝水，並將曝光後的相紙浸入水中，輕輕搖晃紙張，將紙上未反應之黃綠色感光劑洗淨後風乾。
  • 3.1.6 將成品烘乾或晾乾即可。(圖二)


4.分析與結論

  • 4.1 什麼因素影響了顏色的深淺? 試從溶液濃度、AB兩溶液比例、曝光時間、光源種類、定影劑等條件進行探討。
  • 4.2 除了日光，其他光源能不能使相紙變色? 普通光源(如日光燈管或省電燈泡)需要曝光時間較日光長許多，紫外燈管或驗鈔筆之曝光時間較短。
  • 4.3 加入過氧化氫水溶液夠使顯影的時候顏色對比變明顯， 因為過氧化氫能夠將感光液中未反應的鐵離子還原成亞鐵離子，使顏色對比較深。

5.教學目標與評量

  • 5.1 探究與實作教學：
  • 5.1.1 發現問題：影響顏色深淺的原因
  • 5.1.2 規劃與研究：找出可能的變因進行實驗，如：濃度、曝光時間等
  • 5.1.3 論證與建模：將實驗數據整理並解釋說明，如：相同曝光時間下，濃度越高，顏色越深。
  • 5.1.4 表達與分享：將實驗結果進行簡報並回應提問。
  • 5.2 跨領域課程設計：
  • 5.2.1物理課程：針孔成像
中國歷史中戰國時期的墨子所著的墨經中對於針孔成像的原理描述為「景到，在午有端，與景長。說在端」(墨子閒詁：卷十：經下)。而針孔成像的應用也在攝影技術發展之後讓藝術家開創了全新的創作領域。


針孔成像的原理是利用光線沿直線傳播的特性。物體反射的光線，通過針孔，在成像面形成倒立的影像。針孔與成像面的距離，稱為焦距，以毫米或英吋標示，焦距越長，影像越大。針孔接近成像面，可拍攝廣角照片。針孔遠離成像面，可拍攝遠攝照片。


針孔相機的特性有幾個：無限景深、曝光時間長。由於針孔相機沒有鏡頭，因此不受景深限制，擁有無限景深。不論景物遠近，都有相同的清晰度。簡言之，針孔相機無須對焦。而針孔相機由於進光量少，因此需要較長的曝光時間(數秒到數日都可能)。為了拍出漂亮的照片，建議使用三腳架，或把針孔相機放在平穩的地方。


本實驗所製作之相紙濃度較低，若是需要以針孔成像的方式進行曝光，則曝光時間需要非常長。且天候影響甚鉅，或使用市售銀鹽相紙，實驗成效較為顯著。
  • 5.2.2生物課程：植物拓印
植物學家Anna Atkins，利用氰版印刷將英國藻類拓印並集結成冊。可利用校園植物來進行氰版印刷拓印，並認識校園植物。


6.參考資料

  • 6.1攝影的歷史：
人們為了記錄下眼中所見的世界，使用了繪畫技法。隨著西洋繪畫的歷史演進，十九世紀初期浪漫主義的畫家們主張回歸自然，追求自由、動力、愛、狂野等任何能觸動他們狂放熱情的事物來創作。也因此浪漫主義的作品過度的以作者為中心傾向，強調畫面的動感，對比強烈；期表現的題材也不受限於文學主題，現實社會的縮影或是想像世界也是常見的題材。
法國大革命與工業革命發展，整個歐洲走向物質化與現實化的發展，而中產階級逐漸提高的社會地位，進一步的影響了文化與藝術而促成了寫實主義的發展。寫實主義的畫家認為繪畫應忠實並毫不扭曲的態度將現實景物記錄下來。為了將景物真實完整地紀錄下來，也促成了攝影技術的發展。
現實主義的畫家們當年為了把真實的景物完整描繪下來，設計出了暗箱(Camera obscura)。而暗箱的主要設計原理是透過針孔呈像原理，利用一個黑色的盒子，在盒上挖一個小孔後讓光線通過小孔產生影像投影在盒中的磨砂玻璃上，來勾畫出景物的輪廓。1826年，法國發明家涅普斯(Joseph Nicéphore Niépce)發現將塗料塗在鉛錫合金版上曝光八小時可以得到影像，但可惜的是他還來不及將這項技術完整呈現就去世了。爾後，他的合夥人蓋達爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre)利用銅板鋪上一層銀，並將其浸入碘中產生碘化銀，曝光後利用汞蒸氣與銅板上的銀產生銀汞齊(銀與汞的合金)，最後使用食鹽水定影生成照片。
而攝影(photography)一詞的出現則是約翰·赫歇爾爵士(Sir John Frederick William Herschel)於1842年利用赤血鹽(鐵氰化鉀，K3[Fe(CN)6])與檸檬酸鐵銨(ferric ammonium citrate)製作出對光較為敏感的塗料。曝光後，有照到光的部分將會進行氧化還原反應生成俗稱普魯士藍(Prussian blue)的亞鐵氰化鐵(Fe4[Fe(CN)6]3)。此外，英國發明家塔伯特(William Henry Fox)則是利用鹵化銀對光敏感的特性，發展出了卡羅版攝影法。爾後開啟了近兩百年的攝影工藝技術發展。
攝影技術的發展也讓化學家們開始對光化學反應產生興趣，1886年，以義大利化學家賈科莫·恰米奇安(Giacomo Luigi Ciamician)為首所進行的「硝基苯在醇溶液中的光化學作用」等光化學研究促使了日後太陽能板與積體電路製程中光蝕刻技術的製作基礎。
感光劑的其他配方:依據交通大學應用化學系「光化學反應與普魯士藍」之步驟，配製10 mL的0.25 M鐵氰化鉀溶液、5 mL的1.5 M檸檬酸鈉溶液、5 mL的1.5 M氯化鐵溶液於錐形瓶中。以上溶液可供4組共用。根據周芳妃(2016)等人使用草酸鐵鉀飽和溶液、2.0M鐵氰化鉀溶液、2.0%醋酸溶液混合製成感光劑。草酸鐵鉀配置可利用2.0M 氯化鐵和2.0M草酸鉀依照體積比1:3比例於無光線環境中進行反應，可得到過飽和溶液。
  • 6.2 參考文獻
1. James, C. (2015). The book of alternative photographic processes. Cengage Learning.
2. Rudman, T. (2003). The Photographer's Toning Book: The Definitive Guide. Amphoto.
3. Atkins, A. (1843). Photographs of British Algae: Cyanotype Impressions.
4. 許綺玲(譯) (1998)。迎向靈光消逝的年代。台北市:台灣攝影工作室。(Walter Benjamin, 1998)
5. 教育部（2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域。台北市：教育部
6. 施建輝 (2016) 藍印術的另類實驗與探討檸檬酸根的反應 台灣化學教育 第13期http://chemed.chemistry.org.tw/?p=15657
7. 周芳妃(2016) 微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗(上) 台灣化學教育 第14期http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17802
8. 周芳妃(2016) 微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗(下) 台灣化學教育 第14期http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17808
9. 李賢輝(1998)戲劇與多媒體藝術風格 國立台灣大學網路教學課程http://vr.theatre.ntu.edu.tw/hlee/course/th6_520/sty_19c/sty_19c.htm
10. Lee R. Summerlin, and James L. Ealy, Jr. Chemical Demonstrations: A Sourcebook for Teachers, Vol. 1, 144-145, Second Edition, American Chemical Society, Washington, DC, 1988.
11. Hyeong-Ho Park, Xin Zhang, Yong-June Choi, Hyung-Ho Park, and Ross H. Hill. Synthesis of Ag Nanostructures by Photochemical Reduction Using Citrate-Capped Pt Seeds.J. Nanomater. 2011. 2011, 1–7.
12. Mike Ware. Prussian Blue: Artists’ Pigment and Chemists’ Sponge. Journal of Chemical Education, Vol. 85, 2008, 612–621.
13. 光化學 維基百科，自由的百科全書https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%8C%96%E5%AD%A6
14. 光蝕刻 維基百科，自由的百科全書 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%88%BB
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