ソノルミネッセンス

ソノルミネッセンス（Sonoluminescence, SL）とは

ソノルミネッセンス（SL）とは、液体中に超音波を照射した際に発生する、気泡の崩壊（キャビテーション）に伴う発光現象です。この現象は、発光メカニズムが完全に解明されていない、非常に興味深い物理現象として研究されています。

現象の概要

液体に超音波を照射すると、キャビテーションという現象が発生し、液体中に微細な気泡が生成されます。これらの気泡は、超音波の負圧時には膨張し、正圧時には収縮を繰り返します（バブルパルス）。特に、超音波の共振周波数に近いサイズの気泡は、音速に近い速度で急激に収縮するため、断熱圧縮の効果により、気泡内部が瞬間的に数千度以上の高温状態となります。この高温状態において、気泡内部では以下の様な発光現象が起こると考えられています。

熱励起発光: 高温によって励起された原子や分子が発光。
化学[[発光]]: ラジカルなどの化学反応によって発光。
プラズマ発光: 強く圧縮された気泡内部で生成された、電離した気体による発光。

気泡内部の高温場で生成された分子は液体中に溶け出し、様々な化学反応（ソノケミカル反応）を引き起こします。特に水中では、OHラジカルによる反応が活発に起こります。これらの反応に伴う化学[[発光]]も、ソノルミネッセンスの一種として捉えられます。

ソノルミネッセンスの特徴

ソノルミネッセンスには、以下のような特徴があります。

パルス発光: 発光時間が数十ピコ秒から数百ピコ秒と極めて短いパルス状の発光です。
微弱な発光: 通常、発光は非常に微弱であり、暗室でなければ観測が困難です。ただし、液体にルミノールなどの化学[[発光]]物質を添加すると、比較的強い発光を観測できます。
周期的な発光: シングルバブルソノルミネッセンス（SBSL）においては、超音波の周波数に同期して、極めて正確な周期で発光が繰り返されます。
希ガスによる発光の強化: 液体に溶解している希ガスが発光に影響を与え、特に重い希ガス（キセノン>アルゴン>ヘリウム）ほど強い発光を引き起こします。

マルチバブルソノルミネッセンス（MBSL）

ガスを多く含む液体に超音波を照射すると、多数の気泡から同時に発光する現象が観察されます。これをマルチバブルソノルミネッセンス（MBSL）と呼びます。MBSLでは、多数の気泡が同時に振動するため、気泡同士の相互作用によって気泡の形状が歪んだり、振動が乱れたりします。これらの効果は、多くの場合、気泡の崩壊を抑制する方向に働くため、MBSLは後述するSBSLに比べて、発光時の温度が低い傾向にあります。MBSLの発光スペクトルを分析すると、黒体放射に似た連続スペクトルと、原子や分子に由来するバンドスペクトルや線スペクトルが観測されます。

シングルバブルソノルミネッセンス（SBSL）

十分に脱気した液体に超音波を照射し、定在波を形成します。その定在波の中に、注射器などを利用して単一の気泡をトラップすることで発生する発光が、シングルバブルソノルミネッセンス（SBSL）です。SBSLの気泡は、ほぼ球形を保ったまま強く崩壊するため、非常に高温な状態に達します。SBSLの発光スペクトルを分析すると、黒体放射に似た連続スペクトルのみが観測され、原子や分子に由来する構造を持ったスペクトルは観測されません。

関連用語

発光: 物質がエネルギーを放出して光を出す現象の総称。
ルミネセンス: 熱以外のエネルギーによって起こる発光現象。
キャビテーション: 液体中で圧力の変動によって気泡が発生、崩壊する現象。
バブル核融合: ソノルミネッセンスの極高温を利用した核融合の試み。
超音波: 人間の可聴域を超える周波数の音波。
* テッポウエビ: 爪を閉じる際に発生するソノルミネッセンスを利用して獲物を捕らえるエビ。

ソノルミネッセンスは、その特異な発光メカニズムや、極めて高温・高圧状態を生み出す点などから、物理学や化学、音響学など、様々な分野において研究が進められています。

もう一度検索