光声学和声致发光学
在上世纪30年代,科伦大学的H.Frenzel和H.Schultes发现水溶液在声场的作用下居然有光发射出来,从此人们知道了一种崭新的发光现象--声致发光(sonoluminescence)。 然而单个气泡的声致发光现象约在上世纪的90年代初才被发现并有进一步的研究。
声致发光的特征和机理到目前为止还没有一个完善的解释,但活跃在此前沿的科学家都有这么一个共识:搞清楚多泡声致发光和单泡声致发光的机制。液体中的声致发光主要有两类机理,分别是多泡声致发光和单泡声致发光,近期的两种实验表明,液体中多泡(multiple-bubble) 声空化和单泡(single- bubble)声空化的发射光谱非常不同。
美国声学学会主席、华盛顿大学(西雅图) 声学电磁学系主任L. A. Crum 教授是国际声学界颇具声名的科学家。他认为:声喇叭浸入液体,并由较高的超声功率所驱动,声辐射端头可以形成大量空化泡,它们都是瞬时空化的, 声致发光可扩充到几乎整个液体,是多泡空化的结果, 可称作多泡声致发光。由于空化泡之间的相互作用, 以及(或) 受容器等边界的影响, 这类空化泡的爆裂是不对称的,部分宿主液体趁此流入气泡中心,随后的绝热压缩便使它们升高到白热化的温度。单个气泡通过声悬浮方法,使它置于声学谐振腔内的液体中,在较强的功率超声作用下,该一气泡以其平衡体积为中心作大径向的持续振荡,即稳定空化,这种振荡可持续几百万个声周期,每一周期中均出现一次闪光,而且与驱动声波同步,可称作单泡声致发光。单个气泡空化时的爆裂是对称进行的, 而且泡内气体可能形成了内聚激波, 这就是单泡声致发光时极高温度产生的主要原因。
虽然多泡声致发光和单泡声致发光的特征和机制的不同, 已为越来越多的科学家所承认, 但离完全确认还有一段距离。
李化茂,俞小青和冯若在《关于声致发光的类型》这一文中提到用瞬态空化声致发光(transient cavitation sonolum inescence, 简写为TCSL)和稳态空化声致发光(stable cavitation sonolum inescence,简写为SCSL)来区分两类声致发光, 较能反映这两种有明显区别的空泡动力学过程及其声致发光等物理、化学效应。
声致发光有着广阔的应用前景。考虑到单泡声致发光的稳定性及几十皮秒宽的光脉冲与声场之间精确的同步性,人们可以利用它来开发一种廉价的高精度频率源。在空化泡中内爆塌缩时声致发光将能量高度集中的本领,对可控核聚变的研究者提供了一个有价值的模型。声致发光在化学上也有着广泛的应用前景。多泡声致发光时剧烈的空化现象对化学反应有着显著的影响,比如它能将需要花几个小时的从碘化钾中还原碘的实验缩短为几分钟。有人试验,使激光束照射到水面上的点以略高于声速移动,这就可以不断加强声束,估计可使高频率声波传到5公里、10公里的距离,有广阔应用的前途。光声在无损检测方面也很重要。 |