Сонолюминесценция

Однопузырьковая сонолюминесценция - одиночный кавитирующий пузырь.

Сонолюминесценция — это излучение света схлопывающимися пузырьками в жидкости при возбуждении звуком.

Сонолюминесценция была впервые обнаружена в 1934 году в Кёльнском университете . Это происходит, когда звуковая волна достаточной интенсивности заставляет газовую полость внутри жидкости быстро схлопываться, испуская вспышку света. Это явление можно наблюдать в стабильной однопузырьковой сонолюминесценции (SBSL) и многопузырьковой сонолюминесценции (MBSL). В 1960 году Питер Джарман предположил, что сонолюминесценция имеет тепловую природу и может возникать в результате микросотрясений внутри разрушающихся полостей. Более поздние эксперименты показали, что температура внутри пузыря во время SBSL может достигать 12 000 Кельвинов (11 700 ° C; 21 100 ° F). Точный механизм сонолюминесценции остается неизвестным, существуют различные гипотезы, включая горячую точку, тормозное излучение и излучение, вызванное столкновениями. Некоторые исследователи даже предполагают, что температура в сонолюминесцентных системах может достигать миллионов Кельвинов, что потенциально может вызвать термоядерный синтез; эта идея, однако, была встречена со скептицизмом другими исследователями. Это явление также наблюдалось в природе: креветка-пистолет стала первым известным примером животного, производящего свет посредством сонолюминесценции.

История

Эффект сонолюминесценции был впервые обнаружен в Кёльнском университете в 1934 году в результате работ по гидролокатору . Герман Френцель и Х. Шультес поместили ультразвуковой датчик в резервуар с фотопроявителем . Они надеялись ускорить процесс разработки. Вместо этого они заметили крошечные точки на пленке после проявления и поняли, что пузырьки в жидкости излучают свет при включенном ультразвуке. Анализировать эффект в ранних экспериментах было слишком сложно из-за сложной среды большого количества короткоживущих пузырьков. Это явление теперь называется многопузырьковой сонолюминесценцией (MBSL).

В 1960 году Питер Джарман из Имперского колледжа Лондона предложил наиболее надежную теорию явления сонолюминесценции. Он пришел к выводу, что сонолюминесценция имеет в основном тепловую природу и, возможно, возникает в результате микросотрясений при схлопывании полостей.

В 1990 году об экспериментальном прорыве сообщили Гайтан и Крам, которые получили стабильную однопузырьковую сонолюминесценцию (SBSL). В SBSL одиночный пузырь, попавший в акустическую стоячую волну, излучает импульс света при каждом сжатии пузырька внутри стоячей волны . Этот метод позволил более систематически изучать явление, поскольку он изолировал сложные эффекты в один стабильный и предсказуемый пузырь. Было обнаружено, что температура внутри пузыря была достаточно высокой, чтобы расплавить сталь , как показал эксперимент, проведенный в 2012 году; температура внутри пузыря при его коллапсе достигла около 12 000 К (11 700 ° C; 21 100 ° F). Интерес к сонолюминесценции возобновился, когда было постулировано, что внутренняя температура такого пузыря значительно превышает 1 МК (999 727 ° C; 1 799 540 ° F). Эта температура пока окончательно не доказана; скорее, недавние эксперименты показывают температуру около 20 000 К (19 700 ° C; 35 500 ° F).

Свойства

Изображение MBSL с длинной выдержкой, созданное с помощью ультразвукового рупора высокой интенсивности, погруженного в стакан с жидкостью.

Сонолюминесценция может возникать, когда звуковая волна достаточной интенсивности заставляет газовую полость внутри жидкости быстро схлопываться. Эта полость может иметь форму уже существовавшего пузыря или может образоваться в результате процесса, известного как кавитация . Сонолюминесценцию в лаборатории можно сделать стабильной, так что одиночный пузырь будет периодически расширяться и схлопываться снова и снова, испуская вспышку света каждый раз, когда он схлопывается. Чтобы это произошло, стоячая акустическая волна внутри жидкости создается , и пузырек будет находиться в пучности давления стоячей волны. Частоты . резонанса зависят от формы и размера сосуда, в котором находится пузырек

Некоторые факты о сонолюминесценции:

• Свет, который вспыхивает от пузырьков, длится от 35 до нескольких сотен пикосекунд , с пиковой интенсивностью порядка 1–10 мегаватт (1300–13 400 л.с. ).
• Когда они излучают свет, пузырьки очень малы — около 1 микрометра (3,9 × 10 ⁻⁵ в) по диаметру — в зависимости от окружающей жидкости (например, воды) и газосодержания пузырька (например, атмосферного воздуха ).
• Импульсы SBSL могут иметь очень стабильные периоды и положения. Фактически, частота световых вспышек может быть более стабильной, чем номинальная стабильность частоты генератора, создающего звуковые волны, возбуждающие их. Однако анализ устойчивости пузыря показывает, что сам пузырь испытывает значительную геометрическую нестабильность из-за, например, сил Бьеркнеса и нестабильности Рэлея-Тейлора .
• Добавление небольшого количества благородного газа (например, гелия , аргона или ксенона ) к газу в пузыре увеличивает интенсивность излучаемого света.

Спектральные измерения показали температуру пузырьков в диапазоне от 2300 до 5100 К (от 2030 до 4830 ° C; от 3680 до 8720 ° F), причем точные температуры зависят от условий эксперимента, включая состав жидкости и газа. Обнаружение очень высоких температур пузырьков спектральными методами ограничено из-за непрозрачности жидкостей для коротковолнового света, характерного для очень высоких температур.

В исследовании описан метод определения температуры, основанный на образовании плазмы . Используя пузырьки аргона в серной кислоте , данные показывают наличие ионизированного молекулярного кислорода O. ⁺
₂ , монооксид серы и атомарный аргон, населяющие высокоэнергетические возбужденные состояния, что подтверждает гипотезу о том, что пузырьки имеют горячее плазменное ядро. ионизации × и возбуждения Энергия диоксигенильных катионов , которую они наблюдали, составляет 18 ( 2,9 электронвольт 10 ⁻¹⁸ Дж). На основании этого наблюдения они пришли к выводу, что температура ядра достигает как минимум 20 000 К (19 700 ° C; 35 500 ° F). — горячее, чем поверхность Солнца .

–

Основная статья: уравнение Рэлея – Плессе

Динамика движения пузырька в первом приближении характеризуется уравнением Рэлея–Плессета (названного в честь лорда Рэлея и Милтона Плессе ):

$R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}^{2}={\frac {1}{\rho }}\left(P_{\infty }(t)-P_{0}(t)-4\mu {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)$

Это приближенное уравнение, полученное на основе уравнений Навье–Стокса (записанных в сферической системе координат ) и описывающее движение радиуса пузырька R как функцию времени t . Здесь µ — вязкость , $P_{\infty }(t)$ внешнее давление бесконечно далеко от пузырька, $P_{0}(t)$ - внутреннее давление пузырька, $\rho$ – плотность жидкости, а γ – поверхностное натяжение . Верхние точки представляют производные по времени. Было показано, что это уравнение, хотя и приблизительное, дает хорошие оценки движения пузыря под действием акустического поля, за исключением заключительных стадий коллапса. И моделирование, и экспериментальные измерения показывают, что на критических заключительных стадиях коллапса скорость стенки пузыря превышает скорость звука газа внутри пузыря. Таким образом, необходим более детальный анализ движения пузыря, помимо Рэлея-Плессе, чтобы изучить дополнительную фокусировку энергии, которую может произвести внутренне сформированная ударная волна. В статическом случае уравнение Рэлея-Плессе упрощается, давая уравнение Янга-Лапласа .

Механизм явлений

Основная статья: Механизм сонолюминесценции

Механизм явления сонолюминесценции неизвестен. Гипотезы включают в себя: горячую точку, тормозное излучение , радиацию, вызванную столкновениями, и коронные разряды , неклассический свет , туннелирование протонов , электродинамические струи и фрактолюминесцентные струи (в настоящее время в значительной степени дискредитированные из-за противоположных экспериментальных данных).

Слева направо: появление пузыря, медленное расширение, быстрое и внезапное сжатие, излучение света.

В 2002 г. М. Бреннер, С. Хильгенфельдт и Д. Лозе опубликовали 60-страничный обзор, содержащий подробное объяснение механизма. Важным фактором является то, что в пузырьке содержится преимущественно инертный благородный газ, такой как аргон или ксенон (в воздухе содержится около 1% аргона, а его количество растворено в воде слишком велико; для возникновения сонолюминесценции необходимо снизить концентрацию до 20–40%). его равновесного значения) и различные количества водяного пара . Химические реакции приводят к удалению азота и кислорода из пузыря примерно через сто циклов расширения-схлопывания. Пузырь начнет излучать свет. Световое излучение сильно сжатого благородного газа технологически используется в устройствах с аргоновой вспышкой .

Во время коллапса пузыря инерция окружающей воды вызывает высокое давление и высокую температуру, достигающую около 10 000 Кельвинов внутри пузыря, вызывая ионизацию небольшой доли присутствующего благородного газа. Количество ионизированного вещества достаточно мало, чтобы пузырек оставался прозрачным, обеспечивая объемную эмиссию; поверхностное излучение будет производить более интенсивный свет большей продолжительности, в зависимости от длины волны , что противоречит экспериментальным результатам. Электроны от ионизированных атомов взаимодействуют преимущественно с нейтральными атомами, вызывая тепловое тормозное излучение. Когда волна достигает впадины с низкой энергией, давление падает, позволяя электронам рекомбинировать с атомами, а излучение света прекращается из-за отсутствия свободных электронов. Это обеспечивает световой импульс аргона длительностью 160 пикосекунд (даже небольшое падение температуры приводит к значительному падению ионизации из-за большой энергии ионизации по сравнению с энергией фотонов). Это описание упрощено из приведенной выше литературы, в которой подробно описаны различные этапы разной продолжительности от 15 микросекунд (расширение) до 100 пикосекунд (испускание).

Расчеты, основанные на теории, представленной в обзоре, дают параметры излучения (интенсивность и время продолжительности в зависимости от длины волны), которые соответствуют экспериментальным результатам. с погрешностями, не превышающими ожидаемые, из-за некоторых упрощений (например, предположения об одинаковой температуре во всем пузыре), так что явление сонолюминесценции, по-видимому, хотя бы приблизительно объяснено, хотя некоторые детали процесса остаются неясными.

Любое обсуждение сонолюминесценции должно включать детальный анализ метастабильности. В этом отношении сонолюминесценция представляет собой то, что физически называется ограниченным явлением, означающим, что сонолюминесценция существует в ограниченной области пространства параметров пузыря; связанное магнитное поле является одним из таких параметров. Магнитные аспекты сонолюминесценции очень хорошо документированы.

Другие предложения

объяснения

Необычайно экзотической гипотезой сонолюминесценции, получившей большое внимание, является энергетическая гипотеза Казимира, предложенная известным физиком Джулианом Швингером. и более подробно рассмотрено в статье Клаудии Эберляйн. Университета Сассекса . В статье Эберлейна предполагается, что свет сонолюминесценции генерируется вакуумом внутри пузыря в процессе, аналогичном излучению Хокинга — излучению, генерируемому на горизонте событий дыр черных . Согласно этому объяснению энергии вакуума, поскольку квантовая теория утверждает, что вакуум содержит виртуальные частицы , быстро движущаяся граница между водой и газом преобразует виртуальные фотоны в реальные фотоны. Это связано с эффектом Унру или эффектом Казимира . Был выдвинут аргумент, что сонолюминесценция высвобождает слишком большое количество энергии и высвобождает энергию в слишком коротком временном масштабе, чтобы соответствовать объяснению энергии вакуума. хотя другие заслуживающие доверия источники утверждают, что объяснение вакуумной энергии может оказаться верным.

Ядерные реакции

Основная статья: Слияние пузырей

Некоторые утверждают, что описанное выше уравнение Рэлея-Плессе ненадежно для прогнозирования температуры пузырьков и что фактические температуры в звуколюминесцентных системах могут быть намного выше 20 000 Кельвинов. Некоторые исследователи утверждают, что измеряли температуру до 100 000 Кельвинов, и предполагают, что температура может достигать миллионов Кельвинов. Столь высокие температуры могут вызвать термоядерный синтез . Эту возможность иногда называют пузырьковым синтезом и сравнивают с имплозивной конструкцией, используемой в термоядерном компоненте термоядерного оружия .

в 2002 и 2005 годах Эксперименты, проведенные Р.П. Талейарханом с использованием дейтерированного ацетона, показали измерения выхода трития и нейтронов, соответствующие термоядерному синтезу. Однако статьи были признаны некачественными, а сообщение о научной неправомерности автора вызвало сомнения. Это привело к тому, что отчет потерял доверие среди научного сообщества.

27 января 2006 года исследователи из Политехнического института Ренсселера заявили, что им удалось добиться термоядерного синтеза в экспериментах по сонолюминесценции.

сонолюминесценция

Креветка-пистолет (также называемая щелкающей креветкой ) производит кавитационное свечение схлопывающегося пузыря, вызванное быстрым щелчком клешни. Животное защелкивает специальную клешню, создавая кавитационный пузырь, который создает акустическое давление до 80 кПа на расстоянии 4 см от клешни. Выдвигаясь из клешни, пузырь достигает скорости 60 миль в час (97 км/ч) и издает звук громкостью 218 децибел. Давление достаточно сильное, чтобы убить мелкую рыбу. Излучаемый свет имеет меньшую интенсивность, чем свет, создаваемый обычной сонолюминесценцией, и не виден невооруженным глазом. Свет и тепло, производимые пузырем, возможно, не имеют прямого значения, поскольку именно ударная волна, создаваемая быстро схлопывающимся пузырем, используется этими креветками, чтобы оглушить или убить добычу. Тем не менее, это первый известный случай, когда животное производит свет с помощью этого эффекта, и после его открытия в 2001 году его причудливо назвали «креветковой люминесценцией». Впоследствии было обнаружено, что в другой группе ракообразных, креветках-богомолах , есть виды, чьи булавовидные передние конечности могут наносить удары так быстро и с такой силой, что при ударе возникают сонолюминесцентные кавитационные пузырьки.

Сообщалось, что механическое устройство с напечатанным на 3D-принтере когтем, в пять раз превышающим реальный размер, излучает свет аналогичным образом. Этот биоинспирированный дизайн был основан на линьке когтей щелкающей креветки Alpheus formosus , полосатой щелкающей креветки.

См. также

• Список источников света
• Сет Путтерман
• Сонохимия
• Триболюминесценция

Дальнейшее чтение

• Френцель Х., Шультес Х. (октябрь 1934 г.). «Люминесценция в сверхгорячей воде». Журнал физической химии (на немецком языке). 27 (1): 421–4. дои : 10.1515/zpch-1934-0137 . S2CID   100000845 .
• Гайтан Д.Ф., Крам Л.А., Чёрч CC, Рой Р.А. (июнь 1992 г.). «Сонолюминесценция и динамика пузырьков для одиночного стабильного кавитационного пузыря» . Журнал Акустического общества Америки . 91 (6): 3166–83. Бибкод : 1992ASAJ...91.3166G . дои : 10.1121/1.402855 . S2CID   122235287 .
• Бреннер, член парламента, Хильгенфельдт С, Лозе Д (май 2002 г.). «Сонолюминесценция одиночного пузыря» (PDF) . Обзоры современной физики . 74 (2): 425–484. Бибкод : 2002РвМП...74..425Б . дои : 10.1103/RevModPhys.74.425 .
• Талеярхан Р.П. , Вест К.Д., Чо Дж.С., Лахи Р.Т., Нигматулин Р.И., Блок RC (март 2002 г.). «Доказательства ядерных выбросов при акустической кавитации» . Наука . 295 (5561): 1868–73. Бибкод : 2002Sci...295.1868T . дои : 10.1126/science.1067589 . ПМИД   11884748 . S2CID   11405525 .
• Чанг К. (15 марта 2005 г.). «Крошечные пузыри взрываются с жаром звезды» . Нью-Йорк Таймс .
• Врбанек Дж.Д., Фралик Г.К., Врбанек С.Ю., Холл Северной Каролины (2009). «Исследование сонолюминесценции как средства сбора энергии». В Миллис М.Г., Дэвис Э.В. (ред.). Границы двигательной науки . Сервер абстрактных технических отчетов НАСА. Американский инст. воздухоплавания и космонавтики. стр. 605–37. дои : 10.2514/4.479953 . ISBN  978-1-56347-956-4 .
• Руководство «Практическое руководство» для студенческих научных проектов см.: Хиллер Р., Барбер Б. (1995). «Производство света из воздушного пузыря». Научный американец . 272 (2): 96–98. Бибкод : 1995SciAm.272b..96H . doi : 10.1038/scientificamerican0295-96 .
• Татроцкий П. (2006). «Трудности теории сонолюминесценции на основе квантового явления вакуумного излучения» . ФИЛИКА.com . Статья номер 19. Эта статья была создана в 1996 году вместе с альтернативной теорией; обоих видела г-жа Эберляйн. Он содержит множество ссылок на важнейшие экспериментальные результаты в этой области.
• Буццакки М., Дель Джудиче Э., Препарата Г. (апрель 1998 г.). «Сонолюминесценция открыта?». arXiv : Quant-ph/9804006 .

Внешние ссылки

• Подробное описание сонолюминесцентного эксперимента.
• Описание эффекта и эксперимента со схемой аппарата.
• Видео схлопывающегося пузыря на галлон (934 КБ)
• Креветочная люминесценция. Архивировано 13 марта 2005 г. в Wayback Machine.
• Импульсные устройства
• Применение сонохимии
• Звуковые волны увеличивают сонолюминесценцию. Архивировано 6 марта 2011 г. в Wayback Machine.
• Сонолюминесценция: звук в свет