Sonoluminescență

Manifestarea sonoluminescenței. Observați punctul luminos din centrul imaginii

Sonoluminescență, lumină în centrul imaginii. Timp de expunere: 30 de secunde.

Sonoluminiscența este un fenomen fizic în care energia sonoră este transformată în lumină . ^[1] Deși fenomenul era cunoscut încă de la începutul anilor treizeci ai secolului al XX-lea , efectuarea de sondaje și măsurători precise s-a dovedit a fi o sarcină foarte dificilă: abia din 1988 a început să fie studiată cu cercetări specifice.

Istorie

Termenul „sonoluminescență” derivă din fuziunea a două cuvinte latine , sonus (sunet) și lumen (lumină).

Fenomenul are loc cu o mică bulă de gaz scufundată într-un fluid care, prăbușind rapid, emite lumină. În acest caz vorbim de sonoluminescență cu bule unice (SBSL), în timp ce vorbim de sonoluminescență cu bule multiple (MBSL) dacă mai multe bule emit lumină.

Primele observații ale sonoluminiscenței datează din 1933 , când N. Marinesco și JJ Trillat au observat că o placă fotografică fusese tulbure prin imersiune într-un lichid care fusese agitat cu ultrasunete . Un an mai târziu, H. Frenzel și H. Schultes, de la Universitatea din Köln , folosind ultrasunete, au reușit să reproducă o lumină slabă, dar vizibilă în apă . Cei doi savanți au încercat să explice fenomenul pe care l-au observat sugerând că este un fenomen electric cauzat de mișcarea bulelor, dar apoi și-au abandonat cercetările, deoarece fenomenul a fost considerat de puțin interes.

SLBM-urile sunt foarte greu de studiat; emit lumină timp de câteva nanosecunde și sunt în continuă mișcare. În trecut, căutările erau, prin urmare, limitate de intervalele de timp și spațiu tipice acestor nori cu bule. Cu toate acestea , în 1988, Hugh G. Flynn a creat un model teoretic al mișcării acustice a bulei care i-a permis ulterior lui Felipe Gaitan să găsească condițiile necesare pentru a obține sonoluminiscența dintr-o singură bule.

Un SLBS este mult mai ușor de studiat, deoarece vă aflați în prezența unei singure bule staționare. Această bulă poate fi extrem de stabilă și strălucitoare timp de câteva minute, făcând posibilă studierea atât a balonului în sine, cât și a luminii emise. La scurt timp după descoperirea sa, Gaitan și-a pierdut orice interes pentru sonoluminiscență, iar cercetarea a fost continuată de Dr. Seth Putterman la UCLA . Putterman a publicat mai multe articole pe această temă și a determinat multe dintre caracteristicile cunoscute ale SLBS. O singură bulă este mult mai strălucitoare decât o SLBM, ceea ce face studiile spectrale mai ușoare.

Totuși, fenomenul este încă puțin cunoscut datorită numeroaselor modele teoretice propuse.

Teorii

Există diverse teorii care au încercat să explice fenomenul și să descrie mecanismele acestuia, toate cu puncte diferite în favoarea lor. Cu toate acestea, niciuna dintre aceste teorii nu este capabilă să explice pe deplin toate proprietățile sonoluminescenței. Unele dintre aceste teorii par să fi avut mai mult succes:

unda de șoc ;
formarea jeturilor (jet);
solidificare la presiuni ridicate;
emisie indusă de coliziune;
scintilarea gazelor;
radiații cuantice de vid ;
emisia de la atomii comprimați.

Schema sonoluminescenței

Niciuna dintre teorii nu poate explica pe deplin toate proprietățile sonoluminescenței. O descriere mai mult sau mai puțin scurtă a fiecăruia este dată în secțiunile următoare.

Val de șoc

Această teorie a fost propusă pentru prima dată de Seth Putterman . Teoria se bazează pe faptul că balonul rămâne perfect sferic . Când bula se prăbușește, presiunea din interior crește - la raza minimă, aceasta ar putea fi în jur de 200Mbar. În aceste condiții forțele Van der Waals din gaz devin semnificative și bula încetează să se prăbușească. Peretele bulei decelerează cu 10 ¹¹ g , dar o undă de șoc continuă în centrul bulei care încălzește și mai mult gazul din centru. Când unda este la minimum, energia pe care o transportă este redusă cu un factor de 10 ¹² și are loc emisia de lumină. Conform acestei teorii, lumina observată ar putea fi produsă prin două mecanisme distincte:

temperaturile ridicate cauzate de încălzirea adiabatică a bulei determină formarea plasmei , iar recombinarea moleculelor determină emisia de lumină. Cu toate acestea, această explicație este foarte puțin probabilă, deoarece tranzițiile atomice sunt prea lente pentru a explica scurtimea exploziei sonoluminescentei. Mai mult, unele cercetări ( The American Institute of Physics , Buletin 355 20 ianuarie 1998 , PF Schewe & B. Stein) au stabilit că întregul spectru strălucește pentru același interval de timp. Acest model, pe de altă parte, prezice că culorile roșii strălucesc mai întâi și apoi treptat celelalte cu energie mai mare.
O altă posibilitate propusă este că temperaturile ridicate duc la producerea unei plasme relativ reci care emite lumină de la Bremsstrahlung , un proces care, datorită coliziunilor de electroni, produce un spectru foarte larg. Această explicație pare să se coreleze cu spectrul găsit.

Această teorie oferă un mecanism rezonabil pentru concentrarea energiei în balon, dar are unele neajunsuri: de exemplu, nu prezice nicio creștere a intensității apei încălzite.

Formarea jetului

Această teorie este mult mai târzie decât cea precedentă și cele două se exclud reciproc. Andrea Prosperetti , susținătoarea modelului, a emis ipoteza că bula, în timp ce se prăbușește, nu rămâne sferică, ci se deformează, generând în interiorul său un cilindru de apă, care, odată generat, se detașează de suprafața internă a sferei prin traversarea interiorului a balonului în sine. Din simulări, se pare că acest cilindru, numit și jet , poate călători cu aproximativ 2500 de kilometri pe oră, determinându-l să genereze o forță de impact intensă la ieșirea din bulă, cum ar fi să producă o emisie de radiație electromagnetică chiar și în spectru vizibil ( Luminescență ). Mecanismul de emitere a radiației electromagnetice ar trebui să fie triboluminescența , același proces care produce lumina observată atunci când gheața se sparge.

Nu există dovezi experimentale care să contrazică direct această teorie, care este capabilă să prezică multe dintre proprietățile deja găsite în sonoluminiscență. În plus față de apă, sunt necesare cantități mici de gaze nobile pentru a produce fulgerul de lumină. Dependența de temperatură a sonoluminiscenței poate fi explicată prin faptul că, cu excepția cazului în care legăturile de hidrogen sunt rupte termic, prezența moleculelor de apă la energii mai mici înseamnă că există mai multe legături la temperaturi mai scăzute. Legăturile suplimentare ar crește rigiditatea apei, crescând astfel fractura și lumina de emisie aferentă.

Solidificare la presiuni ridicate

Este, în practică, repetarea teoriei undei de șoc cu unele modificări. Robert Hickling presupune că presiunile ridicate generate de prăbușirea bulei pot provoca răcirea apei de la marginile bulei, crescând puterea undei de șoc.

Avantajul major al acestei teorii este capacitatea sa de a reproduce dependența de temperatură a sonoluminiscenței și eficacitatea diferitelor gaze în funcție de ușurința cu care acestea se difuzează în și din bulă. Teoria este relativ tânără: primele articole sunt datate 1957 și calculele se bazează pe SLBM, lăsând astfel un văl de îndoială cu privire la validitatea lor atunci când sunt aplicate SLBS.

Emisia indusă de coliziune

Lothar Frommhold și Anthony Atchley au propus o teorie complet nouă, care nu depinde de forma bulei în momentul prăbușirii. Se crede că emisia indusă de coliziune este o sursă importantă de radiații emise de stelele fierbinți și de cele prezente în atmosfere planetare; în plus, este de așteptat să o observe, în vizibil, la temperaturi mult mai mici de 10 ⁶ K în gazele de densitate mare.

Când două molecule ale aceluiași gaz, dacă există un singur gaz în bulă, sau a două gaze diferite, dacă acesta are și un gaz nobil, așa cum se întâmplă adesea, se apropie și se ciocnesc, ele induc o modificare a dipolilor ambelor: formarea și relaxarea acestor dipoli determină emisia de lumină.

Coliziunea are loc la scări de timp foarte mici și astfel lumina produsă are o bandă largă și este o figură foarte vizibilă în sonoluminiscență. Mai precis, teoria prezice efectul adăugării unui gaz nobil: se va emite mai multă lumină atunci când puterea dipolilor a atins un maxim. Acest lucru se întâmplă atunci când două molecule neutre cu stări de rotație și vibrație diferite se ciocnesc. Nu face predicții despre dependența de temperatură.

În cele din urmă, modelul calculează puterea de emisie pe unitate de volum pentru diferite gaze nobile

I(\omega ;T)={\frac {4\omega ^{4}}{3c^{3}}}N_{L}^{2}\rho _{1}\rho _{2}Vg_{e}(\omega ;T)

{\ displaystyle I (\ omega; T) = {\ frac {4 \ omega ^ {4}} {3c ^ {3}}} N_ {L} ^ {2} \ rho _ {1} \ rho _ {2 } Vg_ {e} (\ omega; T)}

I (\ omega; T) = \ frac {4 \ omega ^ 4} {3 c ^ 3} N_L ^ 2 \ rho_1 \ rho_2 V g_e (\ omega; T)

unde ω este frecvența unghiulară, T temperatura, ρ ₁ și ρ ₂ densitățile celor două gaze, c viteza sunetului N _L numărul Loschmidt , V volumul bulei, g _și densitatea spectrală.

Scânteie de gaz

Această teorie face o comparație între SLBS și scintilatoare cu gaz de înaltă presiune. Un scintilator de gaz emite lumină atunci când o particulă încărcată se mișcă printr-un gaz nobil: același mecanism ar trebui să aibă loc în interiorul unei bule de sonoluminescență. Gazele nobile sunt principalele surse de lumină ale scintilatoarelor: cea mai strălucitoare este xenonul , care este, de asemenea, cel mai bun dopant pentru soluțiile neapoase și un excelent dopant pentru apă. Lumina produsă de un scintilator de gaz este în mare parte ultravioletă și nu conține linii spectrale: aceasta se corelează bine cu observațiile asupra sonoluminiscenței. Heliul și argonul produc lumină pe care nu o puteau transmite prin apă - observațiile arată că intensitatea de vârf a luminii unui SLBS dopat cu aceste gaze nu se ridică în această regiune a spectrului - acest lucru exclude utilizarea acestor gaze.în sonoluminescență. Dependența de temperatură este comparată cu efectul impurităților din scintilatorul de gaz. Graficul dependenței de temperatură a sonoluminiscenței este aproximativ exponențial, în conformitate cu dependența de temperatură observată, deoarece variază solubilitatea în apă a diferitelor impurități. Teoria concluzionează că SLBS acționează ca un scintilator de gaz mic, de înaltă presiune, ale cărui proprietăți sunt bine documentate.

Cu această metodă de investigație, totuși, nu este posibil să se explice unele dintre proprietățile sonoluminescenței. De asemenea, are un defect: perioada de recombinare a gazelor nobile este factorul care determină timpul de ieșire al luminii în scintilator și este de ordinul nanosecundelor, în timp ce fulgerul de lumină observat este de ordinul picosecundelor.

Radiații cuantice de vid

Această teorie este radical diferită de toate celelalte. Claudia Eberlein presupune că sonoluminescența poate fi un fenomen cuantic cu vid. Teoria este inspirată de o idee a lui Julian Schwinger , conform căreia sonoluminiscența este un fenomen analog efectului dinamic Casimir , în sensul că fluctuațiile punctului zero ale câmpului electromagnetic ar putea fi la originea radiației observate. Efectul Unruh , care coboară din primul, este, totuși, mai strâns legat de sonoluminiscență: bine cunoscut în teoria câmpurilor , în formularea sa originală afirmă că o oglindă care se mișcă în vid de mișcare uniform accelerată emite fotoni cu o distribuție spectrală similară la radiația corpului negru . Fenomenul este mai general decât ceea ce este descris aici și, în special, nu se limitează la oglinzile ideale. Acest tip de radiație poate fi generat și de un dielectric în mișcare. Sonoluminiscența ar putea fi identificată ca o manifestare a radiației cuantice de vid. Când bula încetează să se prăbușească, suprafața sa accelerează la peste 10 ¹¹ g și această accelerație puternică face efectul deloc neglijabil. Radiația va fi apoi emisă de la suprafața bulei: chiar dacă emisiile dipolice observate par să contrazică acest lucru, ele presupun o simetrie sferică, care nu este, totuși, cerută de această teorie.

Există, așadar, câteva cantități de interes experimental pe care modelul teoretic le poate calcula. În primul rând densitatea spectrală:

P(\omega )=1,16{\frac {\left(n^{2}-1\right)^{2}}{16\pi ^{2}n^{2}}}{\frac {\hbar }{c^{4}}}{\frac {\left(\Delta R^{2}\right)^{2}}{\gamma }}\omega ^{3}\operatorname {e} ^{-2\gamma \omega }

{\ displaystyle P (\ omega) = 1,16 {\ frac {\ left (n ^ {2} -1 \ right) ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} n ^ {2}}} { \ frac {\ hbar} {c ^ {4}}} {\ frac {\ left (\ Delta R ^ {2} \ right) ^ {2}} {\ gamma}} \ omega ^ {3} \ operatorname { e} ^ {- 2 \ gamma \ omega}}

P (\ omega) = 1,16 \ frac {\ left (n ^ 2-1 \ right) ^ 2} {16 \ pi ^ 2 n ^ 2} \ frac {\ hbar} {c ^ 4} \ frac { \ left (\ Delta R ^ 2 \ right) ^ 2} {\ gamma} \ omega ^ 3 \ operatorname {e} ^ {- 2 \ gamma \ omega}

Acest rezultat este de o mare importanță, deoarece arată că spectrul luminii emise seamănă cu spectrul unui corp negru.

O altă cantitate foarte importantă este energia W radiată în timpul unui ciclu acustic:

W={\frac {\left(n^{2}-1\right)^{2}}{n^{2}}}{\frac {\hbar }{580\pi c^{3}}}\int _{0}^{T}\operatorname {d} \tau {\frac {\partial ^{5}R^{2}(\tau )}{\partial \tau ^{5}}}R(\tau )\beta (\tau )

{\ displaystyle W = {\ frac {\ left (n ^ {2} -1 \ right) ^ {2}} {n ^ {2}}} {\ frac {\ hbar} {580 \ pi c ^ {3 }}} \ int _ {0} ^ {T} \ operatorname {d} \ tau {\ frac {\ partial ^ {5} R ^ {2} (\ tau)} {\ partial \ tau ^ {5}} } R (\ tau) \ beta (\ tau)}

W = \ frac {\ left (n ^ 2 -1 \ right) ^ 2} {n ^ 2} \ frac {\ hbar} {580 \ pi c ^ 3} \ int_ {0} ^ {T} \ operatorname { d} \ tau \ frac {\ partial ^ 5 R ^ 2 (\ tau)} {\ partial \ tau ^ 5} R (\ tau) \ beta (\ tau)

obținută în limita lungimilor de undă scurte.

Deși există efecte, cum ar fi dopajul cu gaze nobile, pe care teoria nu le ia în considerare, există puține dovezi experimentale împotriva acestuia, care reprezintă corect energia emisă și durata fiecărui impuls.

Emisia de la atomii comprimați

După cum arată P. Connerade ( Imperial College , Londra ) și alții, atomii sub presiune mare pot suferi o modificare a proprietăților lor cuantice.

Lorenzo Fortunato și Alessandro Torrielli ( Universitatea din Padova ) au presupus, în 2005 (vezi bibliografia), că presiunea mare care apare atunci când bula se prăbușește poate modifica nivelurile de energie și funcțiile de undă ale atomilor și favoriza o emisie de lumină.

Teoria oferă o explicație simplă a spectrului de lumină continuă specific care apare în sonoluminiscență și favorizează o interpretare a fenomenului care nu folosește plasme și asigură o temperatură a gazului considerabil mai scăzută (4000 K) decât teoriile corpului negru .

Faptul că acest model prezice o temperatură mult mai scăzută înseamnă că teoriile care propun temperaturi mai ridicate trebuie să ia în considerare efectul de emisie de la atomii limitați.

Descrierea unui experiment

În primul rând este necesar să se blocheze o bulă de aer : sticla de lichid în interiorul căreia va avea loc experimentul trebuie să vibreze la o frecvență de rezonanță naturală. În acest fel este posibil să se stabilizeze câmpul acustic , în care bula se va odihni.

După ce am determinat frecvența de rezonanță a sticlei, explorând o gamă largă de frecvențe, este necesar să eliminăm unele procese care ar putea modifica rezultatele și succesul experimentului: operăm, deci degazarea apei . Această operație este absolut necesară, astfel încât bula să nu poată sări pasiv. Când bula a atins extinderea maximă are o presiune foarte scăzută, aerul se difuzează apoi prin suprafața bulei și în bula; pe de altă parte, când este mică, bula pierde aer.

Difuzia aerului trebuie să fie la echilibru pentru a menține bula stabilă: altfel bula dispare sau, pe de altă parte, crește până când zboară. Pentru a crea acest echilibru, presiunea parțială a gazelor prezente în apă trebuie redusă:

apa se fierbe prin simpla creștere a temperaturii : această operație elimină gazele, dar lasă lichidul cald;
apa se fierbe la temperatura camerei sau la o temperatură mai scăzută, reducând presiunea aerului cu care este în contact: când presiunea scade apa fierbe la fel ca înainte.

După ce ați purificat apa și ați turnat-o în sticlă, trebuie să creați o bulă în ea: puteți, de exemplu, să aruncați o cantitate mică de apă pe partea de sus a sticlei - există multe opinii despre cum să faceți acest lucru : unii cred că ar trebui să se facă rapid, alții cu blândețe, încă alții rezolvă problema folosind o serie de prăjitoare de pâine pentru a avea bule de vapori de apă (aceste bule nu rămân ca vapori de apă, ci în același mod în care acest lucru se difuzează în un lichid, unele gaze se difuzează în bulă, ceea ce rămâne așa).

Bula, odată creată, pentru a emite o scânteie, trebuie blocată. În acest moment, pentru a observa lumina mică produsă, se folosesc două instrumente: fotomultiplicatorul și ochiul uman . Între cele două, ochiul uman nu este cel mai bun instrument, deoarece nu poartă memoria evenimentului, care poate fi mai bine înregistrat și examinat cu un instrument extern, cum ar fi fotomultiplicatorul.

În momentul emisiei, bula are mai puțin de un micron în diametru și se prăbușește atât de rapid încât presiunea (>> 1) și temperatura efectivă (T> 10000 K) se schimbă foarte rapid, atât de mult încât atât teoriile standard, cât și cele Tehnicile experimentale nu pot spune ce condiții se combină pentru a produce flashurile observate.

Datele spectrale au furnizat informații interesante despre sonoluminiscență: spectrele au arătat adesea o creștere a intensității în UV, uneori chiar și cu un vârf în apropierea acestor frecvențe. Comparativ cu distribuția Planck pentru radiația corpului negru, aceste spectre indică temperaturi pentru sursă variind de la 10 000 K până la 25 000 K, sau chiar mai mari.

Pentru a vă face o idee despre durata luminii, se poate face un calcul simplu folosind legea Stefan-Boltzmann :

A\,\Delta t\,T^{4}=8{,}46\cdot 10^{2}\ \mathrm {cm} ^{2}\,\mathrm {s\,K} ^{4}

{\ displaystyle A \, \ Delta t \, T ^ {4} = 8 {,} 46 \ cdot 10 ^ {2} \ \ mathrm {cm} ^ {2} \, \ mathrm {s \, K} ^ {4}}

A \, \ Delta t \, T ^ 4 = 8 {,} 46 \ cdot 10 ^ 2 \ \ mathrm {cm} ^ 2 \, \ mathrm {s \, K} ^ 4

unde T este temperatura efectivă a sursei în kelvini . Această ecuație simplă ne permite să legăm câteva mărimi fundamentale pentru fenomen. De exemplu, pentru o bulă cu o suprafață A pentru o sferă de 1 micron și cu un interval de timp de durată pentru sursă egal cu Δ t = 50 ps, se obține o temperatură T = 10 000 K, care este în concordanță cu o spectrul corpului negru. Măsurătorile cu durate sau suprafețe mai scurte au produs surse la temperaturi mai ridicate.

În cele din urmă, în bulă există nu numai aer, ci și un gaz nobil , care prin caracteristicile sale împiedică imperfecțiunea bulei, asigurându-se că forma sa este cât mai sferică, precum și făcând semnalul luminos mai luminos.