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本文来自窗敲雨的微信个人公众号“酷炫科学”

把喷壶对准玻璃喷一喷,你不会期待这个过程出现什么特别的现象。不过,在极端的条件下,一束水流冲击固体表面时确实会发生不同寻常的事情:它会发光。

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上图中就是一束85微米直径的纤细水流冲击铌酸锂晶体表面时发出的光。这个环形的发光带蓝色中还带着一些粉色的感觉。当然,要观察到这种发光肯定不能是日常的条件,纤细的高压水柱必须达到200米/秒以上的速度才行,而且必须是纯净的去离子水。

在去年的一篇论文中,研究者们首次报告了这种现象。在他们的初始版本中,超高速水流击中的表面是单晶石英以及单晶铌酸锂。这听起来是个对材料要求苛刻的实验,不过在此之后油管视频博主Applied Science又进行了一些测试,这一次他发现,其实石英玻璃、普通的玻璃(载玻片)、聚碳酸酯这样的日常材料也可以实现发光(至少在它们被高压水柱冲坏之前)。

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(这个光点是高压水柱冲击玻璃时产生的,没有用显微镜放大所以看不清环形结构)

所以,这光是怎么来的?可以肯定的一点是,发光来自局部气体分子的电离和激发。如果把实验室的空气环境换成氦气,那么这道环形光也会变成符合氦气特征的颜色,由此可以证明发光确实来自气体分子。

而至于发光的具体过程,目前研究者给出了这样的推测:

  1. 过去的实验显示,当石英、玻璃这样的界面与水接触时,在局部会出现这样的电荷分布规律:固体的表面倾向于带负电,与之接触的水倾向于带正电。
  2. 当水流以极高的速度冲击固体表面时,冲击局部液体又会出现非常剧烈的摩擦(或者按照流体力学的术语叫做剪切),这个过程会产生相当多的自由电子,并让附近的水流表面也带上负电。
  3. 这样的结果是,冲击处附近的水流表面累积负电荷,而稍远处向两侧延伸的水膜带正电。可以把这两个位置视作正负两极,当电荷累积到一定程度时两极之间的空气被电离,带电粒子撞击激发气体分子,产生发光。

示意图如下:

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这个是这几天才刚刚学到的新现象,感觉非常厉害!虽然条件太极端了无法尝试……也请大家不要忘记,这种高压水柱的冲击力不是一般的大,切手那都是分分钟的事,如果有机会接触也一定要谨慎操作。

原论文:http://www.pnas.org/content/114/48/12657/tab-figures-data

Applied Science的原视频:https://www.youtube.com/watch?v=_vTq8oGpqwM

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One Response to “冷知识:高速水流会发光!”

  1. 匿名说道:

    要有光

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