氯化钠水溶液中多泡声致发光光谱的实验研究1陈瞻，徐俊峰，黄威，陈伟中，缪国庆南京大学声学研究所, 近代声学教育部重点实验室(南京大学)，南京 (210093)E-mail：miaogq@摘要：实验研究了不同浓度、不同氪气含量氯化钠水溶液中的多泡声致发光光谱,对其连续谱背景上出现的310纳米处的氢氧根离子光谱和589纳米处的钠原子光谱进行重点观察与比较。
发现在相同实验条件下，钠原子光谱强度明显高于氢氧根离子光谱强度，且其对实验条件的改变更加敏感。
而氪气含量，氯化钠水溶液浓度及驱动声压也在一定范围内对光谱强度的变化有较明显的影响。
；；；；；关键词：声空化 声致发光 光谱 氯化钠水溶液浓度 氪气含量 驱动声压1．引言当液体中存在由超声波产生的声场,而这个声场的声压超过某一阈值时,液体中会产生大量的气泡,这种现象称之为声空化。
这些空化气泡将以与声场相同的频率进行非线性的膨胀与收缩。
当驱动超声波的声压进一步增大时,这些气泡将发生急剧的塌缩,在这一塌缩过程中气泡中将产生复杂的物理化学变化并发光。
这种现象称之为声致发光。
而这种由众多气泡产生的瞬态发光则称之为多泡声致发光(MBSL)。
二十世纪七十年代，F.R.Young等人[1]研究了溶有了包括五种惰性气体在内共十七种气体的水溶液的声致发光现象，此后惰性气体含量对于MBSL的影响成为声致发光领域的主流研究方向。
二十世纪九十年代初,Gaitan等人[2]首先利用除气的方法使得单个气泡能够稳定发光，称之为单泡声致发光(SBSL)。
此后各国科学家们基于这一实验技术进行了一系列实验,分别从使用的溶液的类型[3]，气泡动力学的理论及实验研究[4][5][6]，声致发光光谱的假设[7]等方面着手，发现了许多有趣和有价值的现象,使得声致发光逐渐成为了物理学和声学领域的热门课题之一。
近年来，Mutula等人[8]实验对比了MBSL与SBSL在相近的实验条件下的光谱，对MBSL与SBSL的发光机理进行了大胆的假设。
Hammer 和Frommhold[9]对不同的温度条件下各种不同的惰性气体SBSL的谱线和气泡半径进行了比较。
Yasui[10]在前人的基础上进行了一系列的有关惰性气体对于SBSL的影响的研究，并将实验的光谱与黑体辐射拟合的谱线进行了对比，此外还进行了一些气泡动力学的研究，得出结论：充入惰性气体不仅可以明显地加强水中单泡声致发光的亮度和能量。
而且分子量越大的惰性气体对SBSL的泡内温度和能量的加强效果更加明显。
对于多泡声致发光,由于其产生的气泡极多,而且这些气泡不可由实验者进行微观的控制,不可能像控制单泡那样通过改变液体内的声场频率和声压来改变某单个气泡的位置和发光强度；在多泡声致发光实验中瞬间即会产生并湮灭大量的气泡，很难对某个特定的气泡进行跟踪观察和研究。
因此气泡动力学的研究很难在多泡系统内进行,近年来对多泡声致发光主要集中在对其光谱的研究,并与相似条件下的单泡声致发光实验进行比较。
近期研究[11]表明，在高声强下，掺有惰性气体的水溶液中MBSL与SBSL光谱类似，进而认为MBSL与SBSL的发光机制是相同的。
对于MBSL和SBSL发光机理的研究，多年来各国科学家一直在探索，二十世纪九十年代期间黑体辐射说曾一度流行，但近年来越来越多的实验研究表明黑体辐射理论并不确切。
相继出现的若干机制亦均不能圆满解释实验现象。
因此，声致发光研究还是以实验为主。
本文通过实验研究氯化钠水溶液中多泡声致发光的光谱,通过改变氯化钠水溶液的浓度和充入氪气的含量,将各组不同实验条件下得到的光谱进行对比,重点观察由于钠原子浓度改变而导致多泡声致发光光谱尤其是某些特定光谱的变化,并且找到使得多泡声致发光中某些光谱强度产生明显变化所需要充入氪气含量和氯化钠水溶液浓度的范围。
1本课题得到国家自然科学基金(批准号: 10434070) 和教育部高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20040284034)的资助。
2．实验装置与控制软件实验系统如图1所示。
选用一个容积为150毫升的金属方形不锈钢盒子作为谐振腔,在这个谐振腔中注入充有一定量氪气的氯化钠水溶液。
这些氯化钠溶液在注入盒子前经过了一个由我们实验小组自制的除气与充气装置对其进行除气,并按实验需要充入一定量的氪气。
在谐振腔中插入一根750W 的变幅杆高强换能器以激发声场,这根变幅杆换能器配有一个SONICS VCX750型的20K 赫兹定频率功放,调节这台功放可以控制超声波的强度以及持续工作的时间,在谐振腔中产生多泡声致发光现象。
本实验中如果不作特别说明则都取功放最大功率的39%作为实际输出功率。
不锈钢 光谱仪谐振腔 SONICS VCX750图1 声致发光光谱测量实验系统气泡所发出的光透过一个石英窗，然后进入光谱仪,光谱仪进光狭缝的大小是可以调节的,在本实验中取0.2mm。
在实验中,需要使用液氮对光谱仪的CCD 头降温,只有在零下一百摄氏度左右的温度该CCD 头才会正常工作。
在实验中,通过WINSPEC32程序可以对光谱仪进行控制。
可以控制光栅移动以改变所得到的光谱的中心波长所在的位置,还可以设定光谱的观察范围,从而能根据实验的需要对不同波长处的细节进行更加细致的观察与比较。
此外,该软件还可以控制拍摄的曝光时间,曝光时间为0.1s—1小时之间可调,还可选择单张拍摄和连续拍摄模式。
本实验中如不作特别说明均选择曝光时间为60秒的单张拍摄模式。
由于我们最感兴趣的是对于连续谱背景上310纳米处氢氧根离子的光谱和589纳米处钠原子光谱的研究。
因此可以通过WINSPEC32软件控制光栅的宽度及中心波长,以更好地观察该波长段的光谱细节。
3. 实验结果通过对不同浓度、不同氪气含量的氯化钠水溶液进行系统实验研究,得出以下结果。
3.1 不同浓度、不同氪气含量的氯化钠水溶液中的钠原子光谱型功放计算机350400450500550600650700345678910i n t e n s i t ywavelength(nm)(a)510540570600630660690500010000150002000025000300003500040000in t e n s i t y wa v e l e n g t h (n m )(b)5005205405605806006206406606807001000020000in t e n s i ty wa v e l e n g t h (n m )(c)5875885895905915925001000150020002500in t e n s it y wa v e l e n g t h (n m )(d)图2 各种不同浓度的氯化钠水溶液充入不同含量氪气时多泡声致发光光谱 。
重点观察其589纳米处的钠原子谱峰。
（a） 氯化钠溶液浓度为26.39%,溶液中充入76torr 空气， 曝光时间60秒。
(b）氯化钠溶液浓度为17.36%，自上而下的氪气含量分别是600torr,180torr,160torr,50torr，曝光时间60秒。
（c） 氯化钠溶液浓度为26.39%，自上而下的氪气含量分别是600torr,150torr,50torr，曝光时间30秒。
（d）氯化钠溶液浓度为26.39%, 溶液中充入600torr 氪气，曝光时间为10秒。
纯水中不充入氪气时的光谱是连续谱。
若在水中溶入氯化钠，当浓度达到一定数值时，在一定强度的超声作用下，溶液中会产生大量的空化泡,这些空化泡在瞬间将由于巨大的声压作用而塌缩直至破裂,在其塌缩的过程中将发光，光谱分析表明，在589钠米处出现的谱峰是钠原子的光谱。
图2(a)是氯化钠水溶液中多泡声致发光的光谱,氯化钠溶液浓度为26.39%,没有充氪气。
在589纳米处出现了钠原子的光谱。
这说明只要氯化钠水溶液的浓度到达一定数值,即使不充入氪气也能出现钠原子光谱。
图2(b)为17.36%浓度的氯化钠水溶液中充入了不同含量的氪气的一组光谱,最上面的一条实线氪气含量为600torr,中间的一条实线氪气含量为180torr,再下的一条实线氪气含量为160torr,最下面一条虚线氪气含量为50torr。
众所周知，充入50torr 氪气得到的谱线与充入纯空气时得到的光谱类似。
从此图可以较为明显地看出，随着氪气含量的增加，钠原子谱峰的高度有了明显的提高。
图2(c)中是26.39%浓度的氯化钠水溶液中充入了不同含量的氪气的一组谱线。
最上面一条实线氪气含量为600torr；中间一条虚点线氪气含量为150torr；最下面一条实线氪气含量为50torr。
由图可见,充入50torr 氪气和充入150torr 氪气的结果是非常接近的,而充入了600torr 氪气的钠原子谱峰则明显比50torr 和150torr 氪气的钠原子谱峰高出许多。
对图2（b）与图2（c）图结合进行分析，二种浓度不同的氯化钠水溶液中钠原子谱峰高度随氪气含量的变化程度是相似的，都在160-180torr 左右氪气时谱峰开始明显提升。
这说明在一定范围内，氪气含量的增加对于钠原子谱峰的增强起着非常显著的作用。
图2(d)中氯化钠水溶液浓度为26.39%,充入了600torr 的氪气。
由图可见,在588.9纳米及589.5纳米处,出现的是两个钠原子的谱峰。
这与光谱学中钠原子的光谱结果是相吻合的。
值得一提的是，当充入氪气含量在300torr，浓度仍为26.39%时是无法观测到分裂的钠离子双峰的。
可见在高浓度的氯化钠水溶液当中,充入足量的氪气,可以使钠原子谱线发生分裂。
3.2 纯水中充入不同量的氪气后,氢氧根离子的光谱3003203403603804004204404604805001.52.02.53.03.54.04.55.0i n t e n s i t ywavelength(nm)图3 纯水中充入不同含量氪气的多泡声致发光谱, 曝光时间60秒。
图3从上到下分别是充了600torr,180torr 与160torr 氪气的纯水中氢氧根离子的光谱。
由图可见, 充入160torr 氪气与180torr 氪气的两组谱线有较明显的差异,充入180torr 氪气的光谱在310纳米处较明显地出现了氢氧根离子的光谱,而充入600torr 氪气的谱线中,不仅在310纳米处,同时在330纳米处也略有谱峰存在,只是相比于图2(b)中钠原子的光谱的变化显得不是很明显。
可见只有当充入的氪气含量达到一定的数值后,氪气对氢氧根离子的光谱才会有较明显的增强作用,而且这种增强作用比起图2中氪气对钠原子光谱的增强效果微弱得多。
据此，可以看出,如果以谱峰的高低作为主要观察对象的话,钠原子的光谱谱峰明显比氢氧根离子的光谱谱峰具有更好的观察效果。
