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声致发光

时间:2013-06-30来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

声致发光

声致发光(sonoluminescence),是指当液体中的气泡受到声音的激发时,气泡爆聚(implosion)并迸发出极短暂的亮光的现象。

沿革

科隆大学的H. Frenzel 和 H. Schultes于1934年在研究声纳时首次观察到声致发光。在其实验过程中两人希望加快相片显影的过程,将一座超声波变换器置入注满显影剂的水槽中,事后却在显影后的底片上观察到一些微小的亮点。同时每当超音波开启时,液体中的气泡便才会发出光来。早年的实验中由于水下环境过于复杂,对于这些寿命(半衰期)极短暂的大量气泡难以做进一步的分析(N. Marinesco 和 J.J. Trillat于1933年也曾独立发现此现象)。此现象在现代通常也被称为多气泡声致发光(multi-bubble sonoluminescence, MBSL)。
 
而Felipe Gaitan 和 Lawrence Crum在50多年后的1989年大幅改进了实验装置与技术,发现了单气泡声致发光(single bubble sonoluminescence, SBSL)。在单气泡声致发光中,一颗被限制在声音的驻波中的气泡会随着自身周期性的被压缩而不断放出光来。由于这项实验技术将原本复杂的多气泡模型简化为单一稳定气泡的效应,故有助于更系统性地分析声光效应的原理。研究人员同时也发现气泡内部的温度竟然高到可以熔化钢铁的程度。根据估计与假设,气泡内的温度可以高达100万K,这也重新唤起了人们对声致发光的好奇与兴趣。虽然如此高的温度尚未被确实证明,但近年来由伊利诺伊大学香槟分校主导的实验显示,气泡内的温度大约在2万K左右。

特性

当一道足够强度的声波射入液体内的一小块空腔时,会导致空腔急速地压缩,这个空腔可能是普通的气泡,或是因气穴现象引发的微小的低压气泡。由于声致发光可以在实验室中稳定地被呈现,产生出来的单一颗气泡会在被压缩和向外扩展的周期中,不断放出光来。为了达到这个结果,首先在液体中制造出一驻波,且气泡必须要置于驻波的波腹处,使其能受到最大的波幅震荡。其共振的频率取决于容纳液体容器的形状与大小。
 
一些在声致发光的实验中观察到的事实:
 
  • 气泡释放出来的光芒持续时间相当短暂──大约在35至几百皮秒(ps)之间,光强大约在1~10 毫瓦(mW)左右。
 
  • 当气泡放光时尺寸是非常小的。其直径大约只有1um,而其能放出光的气泡大小取决于周围液体的种类(例如水)以及气泡中气体的种类(例如一般空气)。
 
  • 在单气泡声致发光中放出的光,其周期和位置都是相当稳定的。更有趣的是,虽然经过分析这些气泡会受到例如柏克尼斯力(Bjerknes forces)或经历瑞利-泰勒不稳定性等作用,导致气泡会经历显著的几何结构不稳定过程,但事实上我们观察到这些气泡放出光的频率,却能比当初产生声波的仪器的震荡频率还要稳定!
 
  • 如果在气泡中加入惰性气体,例如氦、氩或氙等气体,能进一步增加放出光的强度。
声致发光中放出光的波长是相当短的,其谱线可以到达接近紫外光的程度。由于短波长的光拥有较高的能量,经过计算,若欲产生如此高能量的光,气泡中环境的温度大约要落在2万~100万K之间。但这种估计忽略了一项事实,即是水会吸收几乎所有波长低于200nm的电磁波,这项事实也加深了正确估计气泡内确切温度的困难,因为这些估计都是建立在气泡被压缩过程中的发射光谱上,或是利用Rayleigh-Plesset方程所得到的。甚至有人估计气泡内的温度可以达到109 K,即有十亿度之高,但这些看来有些夸大的估计皆建立于现阶段尚未证实的模型,以及太多无法确定的假设上。
 
另外有两位化学家David J. Flannigan和Kenneth S. Suslick于2005年在《自然》上发表了一篇论文。他们实验的对象是硫酸里的氩气泡,打入声波后在容器内发现氧离子O2+、一氧化硫、以及位于激发态的氩原子。这代表气泡中心有着一个热等离子体核。他们指出O2+离子的激发能量和游离能是18电子伏特(eV)左右,不可能是因为单纯加热而达到的。两位化学家认为这应该是从气泡中心的不透明等离子体释放出来的高能电子撞击得来的。

关于气泡核聚变的争议

最让人感兴趣的是,既然气泡内部可能处于如此高温下,我们甚至有可能利用声致发光作为达到核聚变临界温度的方法。如果气泡内的温度和压力都够高的话,在太阳和其他大型星体中发生的核聚变效应可以在如此微小的气泡中发生。这种可能通常也被称为气泡核聚变(bubble fusion)。
 
2002年3月8日,在美国橡树岭国家实验室工作的一名科学家Rusi P. Taleyarkhan利用极强的超音波震荡轰击全部由氘组成的丙酮,并在容器旁放上中子源以产生更大的气泡,Taleyarkhan宣称他观察到容器中氚含量的上升,代表引发了核聚变效应。他在2003年前往普渡大学任教,并继续发表有关实验过程的论文。不幸的是,在Taleyarkhan之后没有其他研究团体能成功地复制他的实验结果。在2006年6月,伊利诺伊大学香槟分校的Dr. Kenneth S. Suslick在一封写给普渡大学的电子信件中表示,他质疑Taleyarkhan宣称的研究成果已经构成一项科学不端行为(scientific misconduct)。Suslick并声明在这之后他没有收到任何普渡大学的回信。
 
但在2006年11月,据说Taleyarkhan的实验被来自美国拉特诺大学的Edward R. Forringer再次验证了──不过是在Taleyarkhan自己的普渡大学实验室里。但这时普渡大学却选择不继续深入调查,纵使有许多普渡大学的其他教授也提出对这项发现的质疑。美国《高等教育纪事报》(Chronicle of Higher Education)也注意到了一些问题:“在这段时间中,Taleyarkhan先生宣称有两组以上的科学家来到他的实验室,并成功的验证了气泡核聚变效应,Taleyarkhan先生并强调这两组研究人员都是专家,而且绝对独立于他本身的立场。但在对两组研究人员的访问中,他们都驳斥了Taleyarkhan先生的这项说法。例如拉特诺大学的物理教授Edward R. Forringer便声明他自己事实上并不是一位专家,尽管如此,他‘还是相信他的实验结果的确能够支持气泡核聚变的理论……’。”。
 
更精彩的还在后头,在隔年的2007年,美国国会的专案小组计划使用联邦基金来重现Taleyarkhan的实验结果,在他们的坚持下,普渡大学只好在2007年5月10日宣布他们将至少增加一组与普渡大学无关的研究人员来研究Taleyarkhan的实验。对于Taleyarkhan当初宣称他的实验已经“独立地被他人验证”,专案小组采取“高度怀疑”的态度,并且批评普渡大学使用三位之前已经调查过Taleyarkhan的人员现在再来做再审的动作。Taleyarkhan本人对于专案小组的这项报告表示是“偏颇且过度被夸大”的,但最终还是答应与专案小组合作。2007年9月10日,普渡大学内部的调查委员会决定“某些情事值得做进一步的探讨(several matters merit further investigation)”,因此所有研究将从头开始验证起,如今物理学界普遍质疑Taleyarkhan的研究成果。
 
2006年1月27日,美国伦斯勒理工学院的研究员也宣称他们在没有其他外加中子源的情形下,利用声致发光制造出核聚变反应,并发表论文于著名的《物理评论快报》上。但至目前为止,这个实验尚未被任何科学机构的实验小组重现。

理论

流体力学方程

气泡的运动方程可以由Rayleigh-Plesset方程近似求得
气泡的运动方程
其中 r是气泡的半径,黏滞系数是黏滞系数,表面张力是表面张力,气泡内气体的压力是气泡内气体的压力,声音的压力声音的压力是声音的压力,环境的压力是环境的压力。
 
虽然这是简化后的方程,但仍然可以很好的描述被声音震动的气泡的行为。

对现象的解释

到现在为止,造成声光效应的机制仍然没有被解决。目前用来解释的理论有: 热点(hotspot)、 制动辐射(bremsstrahlung radiation)、 碰撞发光、 环形放电(Corona discharge)、 非经典光学(non-classical light)、 隧穿效应(proton tunneling)、 电动力学发光(electrodynamic jets)、 摩擦发光(fractoluminescent jets)(目前因为有相反的实验结果,通常不再被采信)等等。
从左到右 : 气泡的雏型、缓慢膨胀、气泡急速地瞬间被压缩、放出光芒
从左到右 : 气泡的雏型、缓慢膨胀、气泡急速地瞬间被压缩、放出光芒
M. Brenner、S. Hilgenfeldt,和D. Lohse在2002年出版了一本60页的报告 "Single bubble sonoluminescence" (Reviews of Modern Physics 74, 425),其中对于声致发光的机制做了详尽的讨论。根据他们所发表的理论,最重要的关键在于气泡中含有少量的惰性气体例如氩或氙(地球大气有含有大约1%的氩气,但其溶解在水中的量对于产生声致发光来说却是过多了,理想的状态是减少成原来的20~40%)以及含量不固定的水蒸气。经过连锁的化学反应后会导致气泡中的氮气和氧气在大约100个气泡膨胀-压缩周期后被移除,此时气泡便会开始发光。详情可见"Evidence for Gas Exchange in Single-Bubble Sonoluminescence", Matula and Crum, Phys. Rev. Lett. 80 (1998), 865-868。
 
当气泡收缩的时候,周围的水会向气泡中心挤压,因为惯性的关系而在短时间内对气泡产生一个相当大的压力,由此造成的绝热压缩会把气泡内部加热到大概 10,000 K。在如此高温的状况下,不影响透明度的一小部分惰性气体会被游离,被游离出来的电子与气体原子互相影响产生制动辐射。当压力与温度下降后,游离的电子重新与原子结合,停止发光。这个机制导致一个长约 160 皮秒、有规律的短暂发光。
 
根据上述这个理论计算出来所放出光的强度和持续时间,大致上能和实验结果符合,其误差也不会比做一些简化假设(例如 假设气泡各部份的温度保持相同)来得大很多。因此虽然还有一些细节尚待探讨,声致发光的原理大体上来已经被解决了。

天外飞来的想法

有个较受到大家注目、同时相对来说也比较不寻常解释声致发光的理论是由英国萨塞克斯大学的Claudia Eberlein在1996年所提出的卡西米尔效应理论。Eberlein认为声致发光中观察到的光是由气泡周围的真空,透过类似霍金辐射的机制所产生的。根据量子力学,在真空中会自然的产生许多的粒子和反粒子对,并且在很短的时间内湮灭,而由于气泡外液体和气体的接口快速移动的关系,会将这些虚粒子转变成实质的粒子。这种现象和卡西米尔效应或盎鲁效应有一定的关系。如果此理论为真,那么声致发光将是第一个量子真空零点辐射的直接观察证据。然而,却有人质疑上述量子效应并不会发生在声致发光这种相对来说较长的时间尺度上,因为声致发光看来比较遵守经典的气穴效应压缩。因此虽然想法十分有趣,卡西米尔模型目前为止只能被当作许多候补理论的其中之一。

生物界的声致发光

枪虾(Pistol shrimp)是一种能制造出声致发光的生物。当枪虾猎食时,会将它的巨螯快速合上,喷射出一道时速高达约每小时100公里的水流,这道高速水流会触发气穴现象,而成形一个极微小的低压气泡。气泡所放出光的强度要比传统声致发光产生的光来得弱,用肉眼并没有办法看见。在生物学上,此现象并没有任何重要性,也仅仅不过是枪虾用来击晕猎物的冲击波的副产物而已。但在物理上,却是第一个由生物利用声致发光来发光的例子,因此在2001年10月发现这个现象时,也半戏谑性的将其称为为“虾光现象”("shrimpoluminescence")。科学家们在此之后随即发现另一种叫做虾蛄的虾类,有某些品种其棍棒状的前肢能急速来回挥动引发气穴效应,进而产生声致发光。
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