Сонолюмінесценція

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Сонолюмінесценція - явище виникнення спалаху світла при схлопуванні кавітаційних бульбашок, народжених у рідині потужною ультразвуковою хвилею. Типовий досвід зі спостереження сонолюминесценции виглядає наступним чином: в ємність з водою поміщають резонатор і створюють в ній стоячу сферичну ультразвукову хвилю. При достатній потужності ультразвуку в самому центрі резервуара з'являється яскраве точкове джерело блакитного світла - звук перетворюється на світло.

Історія та ранні дослідження

Незважаючи на те, що явище вперше спостерігалося ще в 1930-ті роки, механізм сонолюмінесценції довгий час був абсолютно незрозумілий. Пов'язано це з тим, що в перших експериментах було видно лише поодинокі і досить тьмяні спалахи, тобто весь цей час не вдавалося підібрати оптимальні умови для виникнення сонолюмінесценції.

Зліва направо: поява бульбашки, повільне розширення, швидке та раптове схлопування, випромінювання світла.

У 1990-х роках з'явилися установки, що дають яскраве, безперервне, стійке сонолюмінесцентне світло. Як результат, з'явилася можливість вивчати сонолюмінесцентне світло не за допомогою фотоплівок (тобто накопичуючи світло за тривалий проміжок часу), а в реальному часі з відмінним часовим та просторовим дозволом. Експерименти показали, що сонолюмінесцентне світіння виникає внаслідок наступного циклу:

  • Стояча ультразвукова хвиля у фазі розрідження створює у воді дуже низький тиск, що призводить до локального розриву води та утворення кавітаційної бульбашки.
  • Протягом приблизно чверті періоду ультразвукової хвилі (тобто поки тиск залишається дуже низьким), бульбашка росте, причому якщо звукова хвиля, що стоїть, сферично симетрична, то і бульбашка залишається сферичним. В окремих експериментах діаметр бульбашки досягав часток міліметра.
  • У фазі стиснення кавітаційна бульбашка хлопається, причому все швидше і швидше. Процес схлопування прискорює також сила поверхневого натягу .
  • У заключні частки періоду з центру бульбашки, що зхлопнулася, виривається дуже короткий і яскравий спалах світла. Оскільки в стаціонарному режимі кавітаційна бульбашка народжується і схлопується мільйони разів на секунду [ джерело не зазначено 468 днів ] , ми бачимо усереднене сонолюмінесцентне світло.

З погляду фізичної інтуїції сонолюмінесценція має низку парадоксальних властивостей.

  • Сонолюмінесценція найбільш ефективно проявляється у звичайній воді. Тільки останніми роками [ Коли? ] важко вдалося домогтися виникнення сонолюмінесценції в інших рідинах.
  • Невелика концентрація інертних газів , розчинених у воді, суттєво посилює ефект.
  • Яскравість сонолюмінесцентного світла різко зростає при охолодженні води.
  • Яскравий сонолюмінесцентний спалах має, як правило, більш-менш гладкий спектр без будь-яких окремих спектральних ліній . Цей спектр круто росте у фіолетовий бік і приблизно схожий на спектр випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько сотень тисяч кельвін .

Саме спектр став головним каменем спотикання під час спроб пояснення явища. Якщо сонолюмінесцентне світло має теплове походження, необхідно пояснити, як ультразвук нагріває воду до таких температур. Якщо ж високі температури тут ні до чого, то яке взагалі тоді походження світла.

Однопухирцева та багатопухирцева сонолюмінесценція

У 1990-х роках було відкрито явище багатопухирцевої сонолюмінесценції . Воно виникає у тому випадку, якщо умови для кавітації створюються над точці, а досить великій області, порядку сантиметра і більше. В цьому випадку безперервно народжується і хлопається безліч окремих бульбашок, які взаємодіють, об'єднуються, стикаються один з одним. На відміну від цього режиму, описаний вище режим центральної бульбашки стали називати однопухирцевою сонолюмінесценцією .

При багатопухирцевій сонолюмінесценції світіння виходить більш тьмяним і має зовсім інший спектр. Зокрема, у діапазоні чітко простежуються і навіть домінують окремі лінії випромінювання; наприклад, чітко видно лінію випромінювання збудженого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Крім того, якщо у воді розчинити будь-які речовини, їх лінії випромінювання також з'являються в спектрі [1] . Все це незаперечно свідчить на користь того, що свічення при багатопухирцевій сонолюмінесценції має теплове походження. Залежно від конкретних умов, температура ділянки, що світиться при багатопухирцевій сонолюмінесценції становила 2000—5000 кельвін [2] .

Різка відмінність спектрів одно- і багатопухирцевої сонолюмінесценції призвела до появи точки зору, що йдеться про зовсім різні явища. Однак на початку 2000-х років з'явилися роботи, в яких було виявлено плавний перехід між цими двома режимами сонолюмінесценції [3] . Після цих робіт стало зрозуміло, що і однопузирьковая сонолюминесценция має теплову природу, а її загадковий спектр пояснюється дуже високою температурою і тиском при схлопуванні одного сферически симетричного бульбашки, так що окремі порушені радикали знімають збудження за рахунок зіткнень способом і не встигають висвітлити фотон [4] .

Теоретична модель

Отже, якщо природа світла теплова, необхідно пояснити, рахунок чого досягаються настільки високі температури.

В даний час вважається, що нагрівання води відбувається так.

  • При швидкому стисканні кавітаційної бульбашки пари води відчувають процес, близький до адіабатичного стиску. При цьому, оскільки радіус бульбашки може зменшитися в десятки разів, цілком можливе нагрівання пари води на порядки, тобто до кількох тисяч кельвінів.
  • Відомо, що ефективність нагрівання при адіабатичному процесі визначається показником адіабати, який, у свою чергу, сильно залежить від того, який газ ми розглядаємо. Найбільш ефективним є нагрівання для одноатомних газів, тому навіть невеликі домішки інертних газів у воді здатні помітно вплинути на ефективність нагрівання.
  • Залежність яскравості сонолюмінесценції від температури води визначається балансом між парами води та інертних газів усередині бульбашки. При зниженні температури води леткість парів інертних газів майже змінюється, тоді як тиск насичених парів води різко падає. Це призводить до кращого нагрівання пари при стисканні бульбашки.
  • Ясно, що початкова бульбашка має не зовсім правильну сферичну форму. При схлопывании ці спотворення симетрії посилюються, й у результаті не вдається всю енергію сфокусувати в крапку. Якщо при однопухирцевій кавітації, коли початкові спотворення малі, вдається зменшити радіус бульбашки на порядок і більше, то при багатопухирцевій сонолюмінесценції початкові спотворення не дозволяють сильно стиснути пляшечку, що і позначається на кінцевій температурі.
  • У разі однопузиркової сонолюмінесценції на останній стадії колапсу кавітаційного бульбашки стінки бульбашки розвивають швидкість до 1-1,5 км/с, що в 3-4 рази перевищує швидкість звуку в газовій суміші всередині бульбашки. В результаті при стисканні виникає сферична ударна хвиля , що збігається , яка потім, відбившись від центру, проходить через речовину ще раз. Відомо, що ударна хвиля ефективно нагріває середовище: під час переходу через фронт ударної хвилі речовина нагрівається в M² разів, де М —число Маха . Це, мабуть, призводить до підвищення температури ще на порядок і дозволяє досягти сотні тисяч кельвінів.

Модель Швінгера

Незвичайне пояснення ефекту сонолюмінесценції, що належить Швінгеру [5] , засноване на розгляді змін вакуумного стану електромагнітного поля в бульбашці в процесі швидкої зміни форми останнього, з точки зору, близької до того, що застосовується зазвичай при описі ефекту Казимира , коли розглядається вакуумний стан електромагнітного поля у плоскому конденсаторі, що залежить від граничних умов, що визначаються пластинами. (Див. також Ефект Унру ). Докладніше цей підхід був розвинений у роботі Клаудії Еберлейн (Claudia Eberlein) [6] [7] .

Якщо це вірно, то сонолюмінесценція — перший приклад, у якому експериментально спостерігається випромінювання, пов'язане зі зміною вакуумного стану.

Висловлювалися аргументи на користь того, що сонолюмінесценція пов'язана з перетворенням надто великої енергії в надто малий час, щоб узгодитись зі згаданим поясненням [8] . Однак інші заслуговують на довіру джерела наводять докази за те, що пояснення через вакуумну енергію може все ж виявитися вірним [9] .

Застосування сонолюмінесценції

Крім суто наукового інтересу, пов'язаного з розумінням поведінки рідини за подібних умов, дослідження з сонолюмінесценції можуть мати і прикладні застосування. Перелічимо деякі з них.

  • Надмініатюрна хімічна лабораторія . Розчинені у воді реагенти будуть присутні у плазмі під час сонолюмінесцентного спалаху. Варіюючи параметри експерименту, можна контролювати концентрацію реагентів, а також температуру та тиск у цій сферичній «мікропробірці». Серед недоліків такої методики можна назвати
    • досить обмежене вікно прозорості води, що ускладнює спостереження реакції
    • неможливість позбутися присутності молекул води та їх елементів, зокрема гідроксил-іонів.
  • Перевагами методики є
    • легкість, з якою вдається створювати високі температури реакційної суміші.
    • можливість проводити надкороткі за часом експерименти на масштабах пікосекунд .

Див. також

Примітки

  1. TJ Matula, RA Roy, PD Mourad, WB McNamara, KS Suslick. Comparison of Multibubble and Single-Bubble Sonoluminescence Spectra (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 25 вересня 1995. - Vol. 75, no. 13 . - P. 2602-2605. - ISSN 0031-9007 .
  2. WB McNamara, YT Didenko, KS Suslick. Sonoluminescence temperatures при multi-bubble cavitation (англ.) // Nature . - 21 жовтня 1999. - No. 401 . - P. 772-775. - ISSN 0028-0836 .
  3. O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, GA Williams. Spectrum of Luminescence від Laser-Created Bubbles in Water (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 21 травня 2001. - Vol. 86, no. 21 . - P. 4934-4937. - ISSN 0031-9007 .
  4. K. Yasui. Single-Bubble і Multibubble Sonoluminescence (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 22 листопада 1999. - Vol. 83, no. 21 . - P. 4297-4300. - ISSN 0031-9007 .
  5. Julian Schwinger . Cold fusion theory: A brief history of mine (англ.) // Infinite Energy . - Березень-квітень 1995. - Vol. 1, no. 1 . - P. 10-14. - ISSN 1081-6372 .
  6. Claudia Eberlein. Sonoluminescence as Quantum Vacuum Radiation (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 3 травня 1996. - Vol. 76, no. 20 . - P. 3842-3845. - ISSN 0031-9007 .
  7. Claudia Eberlein. Theory of quantum radiation observed as sonoluminescence (англ.) // Phys. Rev. A. - Квітень 1996. - Vol. 53, no. 4 . - P. 2772-2787. - ISSN 1050-2947 . (Див. також на arXiv.org )
  8. Kimball A. Milton. Динамічний і Dynamical Aspects of Casimir Effect: Підприємство Reality and Significance of Vacuum Energy (англ.) : препринт. - arXiv.org , 21 вересня 2000 року.
  9. S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser. Прокоментувати «Диmensional і dynamickі аспекти з Casimir effect: understanding the reality and significance of vacuum energy» (англ.) . - arXiv.org , 17 жовтня 2000 року.

Література

Посилання