Sonoluminescencja

Sonoluminescencja jest zjawisko, w którym fotony emitowane przez pęcherzyki gazu , która jest różna średnicy za pomocą ultradźwięków .

Historyczny

Efekt został odkryty na Uniwersytecie w Kolonii w 1934 roku przez H. Frenzela i H. Schultesa podczas eksperymentu sonarowego . Pierwsze eksperymenty na ten temat datują się na rok 1917 , kiedy brytyjska marynarka wojenna poprosiła fizyka Lorda Rayleigha o wyjaśnienie, dlaczego śruby okrętowe uległy niewyjaśnionym uszkodzeniom.

W 1989 D. Felipe Gaitan i Lawrence Crum zdołali wyprodukować unikalną bańkę sonoluminescencyjną.

W 2005 roku eksperyment D. Flannigana z bańką argonową zanurzoną w kwasie siarkowym umożliwił pomiar temperatury osiąganej w sercu bańki.

Wyjaśnienia

Teoretyczne wyjaśnienie tego zjawiska pozostaje dziś przedmiotem badań. Obliczenia dokonane od czasu odkrycia tego zjawiska zdają się wskazywać, że pomimo dość nietypowych warunków temperatury i ciśnienia panujących w jądrze bańki podczas jej zapadania się (mała fala uderzeniowa silnie nagrzewa gaz zawarty w bańce), produkcja światła nie powinna interweniować.

Nie wiemy dzisiaj, czy ta różnica między teorią a obserwacją wynika z niedokładności znanych modeli, gdy są one doprowadzone do ekstremalnych warunków, takich jak sonoluminescencja, czy też jest to zjawisko, które do tej pory nie było brane pod uwagę.

W 2002 roku amerykański fizyk Rusi Taleyarkhan (w) przewidział reakcję syntezy jądrowej (patrz fuzja na zimno ), wywołaną falą uderzeniową, ale tych wyników nie można było odtworzyć, są one bardzo krytykowane przez społeczność naukową.

Doświadczenie D. Flannigana pozwoliło wykazać, że temperatura w jądrze bańki sięga 20 000 Kelwinów , co odpowiada temperaturze na powierzchni gwiazdy . Co więcej, bańka argonowa jest trzy tysiące razy bardziej luminescencyjna niż bańka wytworzona w wodzie. Zjonizowany tlen znaleziono również na powierzchni bańki. Hipoteza obecności plazmy w sercu bańki wyjaśniałaby tę jonizację.

Według eksperymentów amerykańskich badaczy Rusi Taleyarkhan i Richarda Laheya wydaje się, że temperatura w centrum baniek może osiągnąć 10 milionów stopni. Zarejestrowaliby emisję neutronów przy 2,5 MeV i wykryliby obecność trytu po reakcji.

Nieruchomości

Sonoluminescencja może, ale nie musi wystąpić, gdy fala dźwiękowa o wystarczającej intensywności powoduje gwałtowne kurczenie się wnęki gazowej w cieczy. Ta wnęka może przybrać formę bańki; może powstać podczas procesu zwanego kawitacją . Sonoluminescencja w laboratorium może być stabilna: pojedynczy pęcherzyk rozszerza się, a następnie okresowo kurczy, emitując błysk światła przy każdym skurczu. W tym celu w cieczy emitowana jest fala dźwiękowa, a ciśnienie bańki będzie zależeć od tej fali. Częstotliwości z rezonansem w zależności od wielkości i kształtu naczynia, w którym balon jest zamknięte.

Kilka informacji na temat sonoluminescencji:

Błyski światła emitowane przez bąbelki są niezwykle krótkie, od 35 do kilkuset pikosekund , przy szczytowej intensywności rzędu 1 mW do 10 mW.
Hiller (1992) wykazał, że widmo światła emitowanego przez Single Bubble SonoLuminescencję ("SBSL", eksperyment opisany w 1989 roku przez DF Gaitana) jest ciągłe, co prowadzi do wskazówki, że powstaje plazma.
Bąbelki są bardzo małe, gdy emitują światło, o średnicy około mikrometra . Zależy to od otaczającego płynu (np. wody ) i gazu zawartego w bańce (np. powietrza ).
Sonoluminescencja pojedynczego pęcherzyka może mieć bardzo stabilne okresy i średnice. Jednak analiza stabilności bańki pokazuje, że sama bańka podlega znacznym niestabilnościom geometrycznym, ze względu na siły Bjerknesa i niestabilności Rayleigha-Plesseta (w) .
Dodając niewielką ilość gazu szlachetnego (takiego jak hel , argon lub ksenon ) do gazu w bańce, można zwiększyć intensywność emitowanego światła.

Długość fali emitowanego światła może być bardzo krótka, np. widmo SBSL (Single Bubble SonoLuminescence) sięga ultrafioletu . Prawa fizyki pokazują, że im mniejsza długość fali światła, tym wyższa jest jego energia. Pomiar widma światła sugeruje, że temperatura w bańce wynosi co najmniej 20 000 kelwinów i do temperatury przekraczającej jeden megakelwin. Wiarygodność tych szacunków podważa fakt, że na przykład woda pochłania prawie wszystkie fale poniżej 200 nm. Doprowadziło to do różnych szacunków temperatury pęcherzyków, ponieważ można ją ekstrapolować z widma emisyjnego uzyskanego podczas skurczu lub oszacować za pomocą równania Rayleigha-Plesseta (patrz poniżej). Niektóre szacunki wskazują, że wnętrze bańki wynosi jeden gigakelwin. Szacunki te opierają się na modelach, których dziś nie można zweryfikować.

Mechaniczny

Ruch bańki opisuje, jako pierwsze przybliżenie, równanie Rayleigha-Plesseta:

R \ ddot {R} + \ frac {3} {2} \ kropka {R} ^ {2} = \ frac {1} {\ rho} \ left (p_g-P_0-P (t) -4 \ eta \ frac {\ kropka {R}} {R} - \ frac {2 \ gamma} {R} \ po prawej).

To przybliżenie wynika z równań Naviera-Stokesa i opisuje zachowanie bańki o jednym promieniu w funkcji czasu . Czynnik jest lepkość , ciśnienia i napięcie powierzchniowe . $R$ $t$ $\ eta$ $p$ $\gamma$

Organiczny

Krewetki pistolet może produkować typ sonoluminescencji upadkiem bańce spowodowanej gwałtownym trzaskiem wyspecjalizowanego pazurem. Zwierzę może wówczas wytworzyć akustyczny bąbel kawitacyjny, który wytwarza ciśnienie do 80 kPa na odległość 4 cm i temperaturę rdzenia 5000 K. Prędkość poruszania się bąbelka może sięgać prawie 100 km/h i uwalnia dźwięk w górę do 218 decybeli. To ciśnienie jest wystarczająco silne, aby zabić małe ryby. Wytwarzane światło ma mniejszą intensywność niż światło wytwarzane przez typową soluminescencję i nie jest widoczne gołym okiem. Ten efekt biologiczny odkryty w 2001 roku został nazwany „shrimpoluminescencją”.

Kultura

W filmie Pursuit naukowcowi udaje się wykorzystać soluminescencję do wywołania kontrolowanej fuzji jądrowej .

Uwagi i referencje

Laurent Sacco, „ Rekord jasności dla sonoluminescencji? » , na futura-sciences.com ,23 kwietnia 2011.
Science 8 marca 2002: Vol. 295 nr. 5561 p.1850 DOI: 10.1126 / science.1070165 http://science.sciencemag.org/content/295/5561/1868.abstract
Wywiad z Kenem Suslickiem na stronie informacyjnej UIUC .
(w) David J. Flannigan i Kenneth S. Suslick, „ Hartowanie plazmy powietrzem podczas sonoluminescencji pojedynczego pęcherzyka ” , The Journal of Physical Chemistry. A, Cząsteczki, spektroskopia, kinetyka, środowisko i ogólna teoria , obj. 110 n O 30,sierpień 2006, s. 9315-9318

Linki zewnętrzne

Dokument ENS Cachan TP dotyczący badania zjawiska sonoluminescencji
Artykuły w języku angielskim dotyczące historii i teorii sonoluminescencji.
Artykuł (płatny) w języku angielskim, z czasopisma Nature, dotyczący doświadczeń Flannigana .
Film dokumentalny BBC Horizon " Aneksperyment ratujący świat " opisujący doświadczenia Rusi Taleyarkhan i protesty, które nastąpiły po nich: https://www.youtube.com/watch?v = R-4SeO-a1Rc