专家答疑

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烟花中会发生哪些物理和化学变化?
—S. 布雷利,北卡罗来纳州教堂山

密苏里大学罗拉分校矿业工程学教授保罗·尼古拉斯·沃西讲授烟火技术课程。他提供了以下答案:

烟花,或称烟火技术,含有燃烧化合物。最常见的是空中礼花弹,它从迫击炮管中发射。它有四个组成部分:发射药、延时引信、爆破药和发光效果发生器。


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发射药是一种快速燃烧并推动礼花弹从炮管中射出的化合物。当发射药点燃时,它也会点燃延时引信,当礼花弹到达适当高度时,延时引信会反过来点燃爆破药。爆破药爆炸,散射出礼花弹现在充满火焰的内容物。礼花弹的有效载荷通常包含旨在产生光的小型烟火药丸。这些胶囊从外向内燃烧,颜色变化是不同成分层导致的结果。

烟火混合物中的金属和燃烧温度决定了展示的颜色和强度。当某些金属被加热时,电子会在原子内的所谓电子壳层或能级之间跃迁。当它们回落到较低状态时,它们会发射光子,光子的波长决定了颜色。最容易创造的色调是红色(来自锶)、绿色(钡)、黄色(钠)和白色(钛)。蓝色更难,因为反应温度必须恰到好处。相比之下,火花来自燃烧较慢的混合物。环形、心形和笑脸等形状需要将药丸精确放置在礼花弹内部。

所有烟火混合物都包含燃料和氧化剂。该混合物通常由金属硝酸盐和碳基燃料组成。当固体混合物被点燃时,它会变成主要是气体并释放出大量热量——对于鲜艳的颜色而言,超过2000摄氏度。许多因素控制着烟花反应的速度:礼花弹的成分和其他物理特性,例如粒度(较小意味着更快)、加速剂(例如硫和糖)或减速剂(例如盐)、高压或约束(这会增加反应速率)、较低的堆积密度(这会降低速率)和水分含量。

抗生素如何杀死细菌细胞而不杀死人类细胞?
—M. 坎塔托雷,纽约市

密歇根大学医学院微生物学和免疫学系主任哈里·莫布利回复道:

抗生素可以通过多种方式选择性地靶向细菌进行清除,而不会伤害人类细胞。

大多数细菌细胞壁都含有一种称为肽聚糖的大分子,而人类细胞不产生或不需要这种物质。例如,青霉素可以阻止该大分子组装中的最终交联步骤或转肽作用。结果是细胞壁变得脆弱并破裂,从而杀死细菌。

某些药物靶向细菌的代谢途径。磺胺类药物的结构与对氨基苯甲酸相似,对氨基苯甲酸是叶酸合成所需的一种化合物。所有细胞都需要叶酸。维生素很容易扩散到人类细胞中,但它不能进入细菌细胞,因此细菌必须自己制造叶酸。磺胺类药物会抑制该过程中的一种关键酶,细菌就无法再生长。

另一种抗生素——四环素——通过阻止蛋白质合成来干扰细菌生长。细菌细胞和人类细胞都在称为核糖体的结构上进行蛋白质合成。四环素与核糖体上的一个位点结合,并阻止关键的 RNA 相互作用,从而关闭延伸的蛋白质链。在人类细胞中,四环素的积累量不足以阻碍蛋白质合成。

同样,DNA 复制必须发生在细菌细胞和人类细胞中。环丙沙星等抗生素可以特异性地靶向细菌中一种称为 DNA 回旋酶的必需酶。但这种抗生素不会影响人类的 DNA 回旋酶。

 

大众科学杂志 第294卷 第6期本文最初以“专家答疑”为标题发表于《大众科学杂志》 第294卷 第6期(),第98页
doi:10.1038/scientificamerican0606-98
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