……摄影的化学原理

有人像约瑟夫·尼塞福尔·涅普斯这样彻底改变了世界，却没有获得多少赞誉吗？任何对摄影发明者有所了解的人，通常都会认为是另一位法国人达盖尔——就是那个发明了“达盖尔银版法”的达盖尔——但达盖尔是从涅普斯那里获得灵感的。涅普斯的相机是一个一英尺多见方的立方体木箱；他的感光材料是涂有沥青的锡板或石板，沥青在光照下会变硬。用这个不起眼的装置，涅普斯在1824年拍摄了世界上第一批照片，地点是他位于勃艮第的庄园里的一个窗户，那时达盖尔还在画戏剧布景。从现存的一幅影像来看，效果出奇地清晰：在院子对面、鸽舍后面，可以看到一棵树叶稀疏的梨树。“尽管那是沥青，但它仍然是我们今天所用所有工艺的祖先，”巴黎十一大学（位于奥赛）的物理化学家雅克琳·贝洛尼说。“一切都已具备。”这使得胶片听起来有点像《摩登家庭》里的古董，而相机已经数码化，暗房也逐渐被电脑取代。远非如此：即使是10美元的一次性相机，其分辨率也比今天1000美元的数码相机高10倍——而且得益于贝洛尼，这个差距很可能会进一步扩大。在20世纪80年代末，贝洛尼帮助阐明了胶片显影的化学原理。现在，她开发了一种新的“掺杂”胶片乳剂的方法，有望使其在捕捉光线方面提高五倍。“如果能广泛应用，”一家胶片制造商Ilford公司的化学家罗尔夫·施泰格说，“这无疑将是过去60年摄影界最伟大的发明之一。”自从达盖尔（也该给他点赞）以来，摄影中关键的光敏材料一直是卤化银。胶片基本上是在塑料基底上的明胶中悬浮着大量的卤化银晶体。当相机的快门打开时，光子通过镜头，照射到一些晶体上，并从卤离子中脱落电子。一些电子聚集在附近的银离子上，将它们转化为中性原子。然后，这些原子聚集在一起，在每个暴露的晶体上形成微小的黑色金属银颗粒。数百万个这样的颗粒构成一幅图像。但是，要使图像可见，即使是通过显微镜，摄影师也必须用化学显影剂（达盖尔的另一项贡献）清洗胶片，这完成了光线开始的工作。

“显影剂会将电子提供给那些最需要的晶体，而不是其他晶体，”贝洛尼说。如果一个卤化银晶体已经有一个包含临界最低数量的银原子（通常是四个）的光黑化聚集体，那么这个聚集体的电场会将电子吸引到它周围的银离子上，整个十亿离子晶体就会迅速变黑。所有其他未曝光或 apenas 曝光的晶体，显影剂都会放任不管；晶体是单独反应的，因为明胶将它们相互隔离。结果是，在冲洗掉未显影的晶体后，得到一张黑白负像：主体明亮区域产生黑晶体集中；暗区变成透明。一帧普通胶片中有100亿个晶体——相当于2000万个数码像素。（即使是当今最清晰的数码图像也只有200万像素。）要制作一张正片，你需要将光线透过负片照射到覆盖有相同类型胶片乳剂的纸上，然后进行显影。彩色胶片更复杂。它是一叠卤化银乳剂，每叠都设计用于记录红色、绿色或蓝色。但第一步——光线照射卤化银晶体并产生银原子——总是相同的。“第一步决定一切——你捕捉了多少信息，”柯达公司的一位化学家乔恩·卡佩基说。“之后你无法改变这一点。你可以利用这些信息，或者浪费它。”大多数照射到胶片上的光子都被浪费了：它们释放的电子（每个光子一个电子）又会落回卤离子中的“空穴”中。因此，今天的胶片需要10个或更多光子才能达到每个晶体四个银原子的额定值——也就是说，它浪费了60%的光。“所以，当我们能够捕捉所有光线，”贝洛尼说，“甚至翻倍——这给人们留下了深刻的印象。”

既然问题是空穴吞噬了光生成的电子，贝洛尼推断，解决方案是用一种“吞空穴剂”来掺杂胶片。这种掺杂剂必须是一种带负电的离子，如卤化物，这样它就可以取代晶格中的卤化物。要中和一个空穴，它必须愿意交出电子，但又不能太急切，否则它就会开始中和银离子，使还在盒子里的胶片变黑。贝洛尼认为，甲酸根离子——化学式：HCO-2——会起作用。这是一个灵感的直觉。由Agfa-Gevaert公司（一家德比合资企业，资助贝洛尼的研究）的化学家雷内·德·凯泽进行的实验表明，甲酸根可以清除溴化银乳剂中光线产生的所有空穴。此外，每次甲酸根离子中和一个空穴时，反应都会释放第二个电子，使第二个银离子变暗。掺杂了甲酸根的晶体，不再需要10个光子来曝光，也不需要四个，甚至不需要三个（这是之前的理论极限）——只需两个就能完成工作。不到百万分之一的甲酸根就足够了。“这真是件奇妙的事，”Ilford公司的罗尔夫·施泰格说。对消费者来说，最奇妙的好处之一将是高感光度胶片，其颗粒感会大大降低。为了在弱光下捕捉每个晶体10个光子，今天的ASA 400胶片必须拥有比ASA 100胶片大四倍的晶体——相应地数量更少。如果甲酸根能将光子需求降低到两个，那么ASA 400胶片将比今天的ASA 100拥有更小的晶体和更好的分辨率。一次性相机，由于其廉价的镜头会散射大量光子，通常使用ASA 800，它们将会有更显著的改进，为数百万度假者带来更清晰、更易于放大的回忆。德·凯泽和他在Agfa的同事们还没有证明甲酸根掺杂乳剂的保质期是否合理，它们是否能在工业规模上生产，以及甲酸根是否适用于摄影中使用的所有卤化银。但德·凯泽很乐观：他预测Agfa将在四年内推出掺杂胶片。“这很可能我们可以通过将甲酸根与其他物质结合来进一步推动，”她说。“但我们打开了一扇从未有人打开过的门。”

量子化学和一些高级晶体学是打开这扇门所必需的——这使得它离约瑟夫·尼塞福尔·涅普斯的窗户和他1824年9月那不可思议的时刻很远，那时他从木制相机中取出一块涂有沥青的石头，用薰衣草油冲洗掉没有硬化的沥青，然后举起来观看。“物体影像在那里以惊人的清晰度和忠实度出现，直到最细微的细节和最微妙的色调，”他当月写信给他的兄弟克劳德，根据贝洛尼的同事让-路易·马里尼耶最近的一本传记。“亲爱的朋友，我可以告诉你，这确实充满了魔力。”十年前，贝洛尼和马里尼耶去拜访了涅普斯的老房子，它坐落在沙隆河畔萨恩以南的铁轨和繁忙的高速公路之间，只有一个隐蔽的牌匾。他们走上涅普斯曾用作实验室的二楼房间；他们望着他的相机曾眺望的窗户，向南俯瞰着庭院和远处的公园。涅普斯从那个窗户拍的照片，只有一张流传下来。它显示了一个有趣的特点：庭院两侧相对的立面，一个朝东，一个朝西，都沐浴在阳光直射下。涅普斯的沥青对光线太不敏感了，以至于他不得不曝光一整天甚至两天；阴雨天和冬天使他完全失败。如今的胶片乳剂在捕捉光子方面比以前好了一百万倍——但正如贝洛尼所证明的，它们仍有很长的路要走。

网络资源

德克萨斯大学奥斯汀分校的格恩斯海姆收藏馆（The Gernsheim Collection）对涅普斯的生平和作品进行了概述。芭芭拉·伦敦的经典著作《摄影》（Photography，Addison-Wesley Publishers，1976年出版）现已出到第六版，并附有配套读物。