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声致发光竟然是从一只枪虾开始的!

中科院半导体所  · 公众号  ·  · 2020-03-27 18:00

正文

还记得在某头条上偶然看到过一个令人震惊的科学报道 《肥皂泡的温度比太阳还要高? ,看到后很是吃惊。默默把这个似乎匪夷所思的冷知识记下来时,良好的批判性思维让我保持了理智。决定亲自查证,果然是我天真,差点就信了。

流言:

在肥皂泡泡突然破裂的一瞬间,它的温度是多少呢?科学家测量了这个温度,结果令他们震惊不已:当液态的肥皂泡猛地收缩破裂时,它内部的温度大约为20000℃,比太阳的表面温度还高4倍。(误)

发生声致发光的装置,中间的蓝色小点就是发光现象 | Credit: Wikimedia Commons

气泡温度高不假, 的确有一种泡泡破裂时可以达到上万度,但是这不是肥皂泡,而是水中的空穴在声波作用下内爆的结果。 这个假新闻其实来源是一个十分有趣的自然现象—— 声致发光 (SBSL)。

神奇的枪虾

提到声致发光,就不得不提到 枪虾 。它是一种生活在地中海的生物,虽然没有皮皮虾那么出名,但也很厉害的。

这种家伙长两只螯,一大一小,其中大螯可以长到虾体一半的长度。与对称的小螯不同,大螯有一边不能移动,具有一个空穴;另一边则是一个可移动的,刚好能插入空穴的“活塞”。换句话说, 它带了一把高压水枪在身上,枪虾也因此而得名。

大螯的肌肉强壮有力,当“活塞”合上的时候,从空穴中挤出来的水柱速度可达32m/s。快速通过的水柱与周围相对静止的水形成了一个低压空间,低压在水里产生了微小的气泡,紧接着,这些微小气泡在周围水体的压力下会瞬间破裂。

枪虾

气泡破裂发出咔嗒咔的声音,同时, 在气泡破裂的一瞬间,周围水体的温度可以达到惊人的近4500℃的高温,十分接近太阳表面的温度(5000多 ),并且会发出极短的一道光。 这就是虚假报道里耸人听闻的那部分。

声致发光

以上现象被叫作 声致发光 (Sonoluminescence)。

最先发现这种现象的是德国科隆大学的 H·Frenzel 和 H·Schultes。当时研究者在显影液里放入超声转换器,试图加快显影速度,结果却在底片上看到了大量的微小光斑。 他们猜测这和气泡有关,但没有条件深入研究这些光斑是怎么回事,因为气泡存在的时间太短了。

当时是1934年,正是希特勒掌权,由于其他技术不够发达,并没有引起人们关注(也可能是1934年其他的破事太多了= =)。

密微等离子体,被认为是声致发光现象产生的源头 | Credit: UCLA Putterman Research Group

1990年,由美国华盛顿大学 D· F·Gaitan 发现的 单泡声致发光现象 (Single bubble sonoluminescence) 引起了广泛讨论,并由美国洛杉矶加州大学 S· J·Putterman 研究小组对这种现象的重要特征进行了测定。

他们的办法是:在高度去气的纯水里,用注入气泡的方法实现单泡声致发光,这是一种稳定的、确定空间位置的、时间同步的,气泡脉动发光过程。只是 由于实验条件的限制,没能直接探测到发光气泡内部经历的过程 ,所以当时的解释也是停留在假设的阶段。

声致发光的吸引人之处在于,它本身携带的一些特殊性质,以及它谜一样的产生过程和原理。

直到20世纪末期我们才搞清楚它的基本原理:

当足够强度的声波通过液体的时候,会在液体里产生空穴——可能是本来就有的小气泡,也可能是通过空穴效应产生的新泡泡。 这和肥皂泡完全是两码事。







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