煙花中會發生哪些物理和化學變化?
—S. 佈雷利,北卡羅來納州教堂山
密蘇里大學羅拉分校礦業工程學教授保羅·尼古拉斯·沃西講授煙火技術課程。他提供了以下答案:
煙花,或稱煙火技術,含有燃燒化合物。最常見的是空中禮花彈,它從迫擊炮管中發射。它有四個組成部分:發射藥、延時引信、爆破藥和發光效果發生器。
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發射藥是一種快速燃燒並推動禮花彈從炮管中射出的化合物。當發射藥點燃時,它也會點燃延時引信,當禮花彈到達適當高度時,延時引信會反過來點燃爆破藥。爆破藥爆炸,散射出禮花彈現在充滿火焰的內容物。禮花彈的有效載荷通常包含旨在產生光的小型煙火藥丸。這些膠囊從外向內燃燒,顏色變化是不同成分層導致的結果。
煙火混合物中的金屬和燃燒溫度決定了展示的顏色和強度。當某些金屬被加熱時,電子會在原子內的所謂電子殼層或能級之間躍遷。當它們回落到較低狀態時,它們會發射光子,光子的波長決定了顏色。最容易創造的色調是紅色(來自鍶)、綠色(鋇)、黃色(鈉)和白色(鈦)。藍色更難,因為反應溫度必須恰到好處。相比之下,火花來自燃燒較慢的混合物。環形、心形和笑臉等形狀需要將藥丸精確放置在禮花彈內部。
所有煙火混合物都包含燃料和氧化劑。該混合物通常由金屬硝酸鹽和碳基燃料組成。當固體混合物被點燃時,它會變成主要是氣體並釋放出大量熱量——對於鮮豔的顏色而言,超過2000攝氏度。許多因素控制著煙花反應的速度:禮花彈的成分和其他物理特性,例如粒度(較小意味著更快)、加速劑(例如硫和糖)或減速劑(例如鹽)、高壓或約束(這會增加反應速率)、較低的堆積密度(這會降低速率)和水分含量。
抗生素如何殺死細菌細胞而不殺死人類細胞?
—M. 坎塔託雷,紐約市
密歇根大學醫學院微生物學和免疫學系主任哈里·莫布利回覆道:
抗生素可以透過多種方式選擇性地靶向細菌進行清除,而不會傷害人類細胞。
大多數細菌細胞壁都含有一種稱為肽聚糖的大分子,而人類細胞不產生或不需要這種物質。例如,青黴素可以阻止該大分子組裝中的最終交聯步驟或轉肽作用。結果是細胞壁變得脆弱並破裂,從而殺死細菌。
某些藥物靶向細菌的代謝途徑。磺胺類藥物的結構與對氨基苯甲酸相似,對氨基苯甲酸是葉酸合成所需的一種化合物。所有細胞都需要葉酸。維生素很容易擴散到人類細胞中,但它不能進入細菌細胞,因此細菌必須自己製造葉酸。磺胺類藥物會抑制該過程中的一種關鍵酶,細菌就無法再生長。
另一種抗生素——四環素——透過阻止蛋白質合成來干擾細菌生長。細菌細胞和人類細胞都在稱為核糖體的結構上進行蛋白質合成。四環素與核糖體上的一個位點結合,並阻止關鍵的 RNA 相互作用,從而關閉延伸的蛋白質鏈。在人類細胞中,四環素的積累量不足以阻礙蛋白質合成。
同樣,DNA 複製必須發生在細菌細胞和人類細胞中。環丙沙星等抗生素可以特異性地靶向細菌中一種稱為 DNA 迴旋酶的必需酶。但這種抗生素不會影響人類的 DNA 迴旋酶。