Sonoluminescens - Sonoluminescence

Enkeltboble sonoluminescens-en enkelt, kaviterende boble.

Sonoluminescens er utslipp av lys fra imploderende bobler i en væske når det opphisses av lyd.

Historie

Sonoluminescence -effekten ble først oppdaget ved universitetet i Köln i 1934 som et resultat av arbeid med sonar . Hermann Frenzel og H. Schultes sette en ultralyd transducer i en tank av fotografisk fremkallingsvæske . De håpet å få fart på utviklingsprosessen. I stedet la de merke til små prikker på filmen etter å ha utviklet seg og innså at boblene i væsken avgir lys med ultralyd slått på. Det var for vanskelig å analysere effekten i tidlige eksperimenter på grunn av det komplekse miljøet til et stort antall kortvarige bobler. Dette fenomenet blir nå referert til som multi-bubble sonoluminescence (MBSL).

I 1960 foreslo Peter Jarman fra Imperial College of London den mest pålitelige teorien om sonoluminescensfenomen. Han konkluderte med at sonoluminescens i utgangspunktet er termisk opprinnelse, og at det muligens kan oppstå fra mikrosjokk med de kollapserende hulrommene.

I 1989 ble et eksperimentelt fremskritt introdusert som produserte stabil enkeltboble sonoluminescens (SBSL). I sonoluminescens med én boble avgir en enkelt boble fanget i en akustisk stående bølge en lyspuls med hver komprimering av boblen i den stående bølgen . Denne teknikken tillot en mer systematisk studie av fenomenet, fordi det isolerte de komplekse effektene til en stabil, forutsigbar boble. Det ble innsett at temperaturen inne i boblen var varm nok til å smelte stål , slik det ble sett i et eksperiment gjort i 2012; temperaturen inne i boblen da den kollapset nådde omtrent 12 000 kelvin . Interessen for sonoluminescens ble fornyet da en indre temperatur på en slik boble godt over en million kelvin ble postulert. Denne temperaturen er så langt ikke avgjørende bevist; nyere eksperimenter indikerer heller temperaturer rundt 20 000 K (19 700 ° C; 35 500 ° F).

Egenskaper

Lang eksponeringsbilde av flerboble sonoluminescens skapt av et høyintensivt ultralydshorn nedsenket i et væskebeger

Sonoluminescens kan oppstå når en lydbølge med tilstrekkelig intensitet får et gassformig hulrom i en væske til å kollapse raskt. Dette hulrommet kan ha form av en allerede eksisterende boble, eller kan genereres gjennom en prosess som kalles kavitasjon . Sonoluminescens i laboratoriet kan gjøres til å være stabil, slik at en enkelt boble vil ekspandere og kollapse igjen og igjen på en periodisk måte, og avgir et lysutbrudd hver gang den kollapser. For at dette skal skje, settes det opp en stående akustisk bølge i en væske, og boblen vil sitte ved et trykkantennode for den stående bølgen. De frekvenser av resonans er avhengig av formen og størrelsen av beholderen i hvilken boblen er inneholdt.

Noen fakta om sonoluminescens:

• Lyset som blinker fra boblene varer mellom 35 og noen hundre pikosekunder langt, med høyeste intensitet i størrelsesorden 1–10  mW .
• Boblene er veldig små når de avgir lyset - omtrent 1 mikrometer i diameter - avhengig av væsken i omgivelsene (f.eks. Vann) og gassinnholdet i boblen (f.eks. Atmosfærisk luft ).
• Enkeltboble sonoluminescenspulser kan ha veldig stabile perioder og posisjoner. Faktisk kan frekvensen av lysglimt være mer stabil enn den nominelle frekvensstabiliteten til oscillatoren som gjør at lydbølgene driver dem. Imidlertid viser stabilitetsanalysene av boblen at selve boblen gjennomgår betydelige geometriske ustabilitet, for eksempel på grunn av Bjerknes -kreftene og Rayleigh -Taylor ustabilitet .
• Tilsetning av en liten mengde edelgass (som helium , argon eller xenon ) til gassen i boblen øker intensiteten til det utsendte lyset.

Spektrale målinger har gitt bobletemperaturer i området fra 2300 K til5100 K , de eksakte temperaturene avhengig av eksperimentelle forhold, inkludert sammensetningen av væsken og gassen. Påvisning av svært høy bobletemperatur ved spektrale metoder er begrenset på grunn av væskens opacitet for lys med kort bølgelengde som er karakteristisk for svært høye temperaturer.

En studie beskriver en metode for å bestemme temperaturer basert på dannelse av plasma . Ved bruk av argonbobler i svovelsyre viser dataene tilstedeværelsen av ionisert molekylært oksygen O ₂ ⁺ , svovelmonoksid og atomargon som befolker eksiterte tilstander med høy energi, noe som bekrefter en hypotese om at boblene har en varm plasmakjerne. Den ionisering og eksitasjon energi av dioxygenyl kationer , som de observerte, er 18 elektronvolt . Fra dette de konkluderer kjerne temperaturen kommer opp i minst 20.000 kelvin-varmere enn overflaten på søn .

Rayleigh - Plesset ligning

Hovedartikkel: Rayleigh - Plesset ligning

Dynamikken i boblens bevegelse er preget av en første tilnærming av Rayleigh - Plesset -ligningen (oppkalt etter Lord Rayleigh og Milton Plesset ):

${\ displaystyle R {\ ddot {R}}+{\ frac {3} {2}} {\ dot {R}}^{2} = {\ frac {1} {\ rho}} \ venstre (p_ { g} -P_ {0} -P (t) -4 \ mu {\ frac {\ dot {R}} {R}}-{\ frac {2 \ gamma} {R}} \ høyre)}$

Dette er en omtrentlig ligning som er avledet fra Navier - Stokes ligninger (skrevet i sfærisk koordinatsystem ) og beskriver bevegelsen til radiusen til boblen R som en funksjon av tiden t . Her, μ er viskositeten , p det trykk , og γ den overflatespenning . Overpunktene representerer tidsderivater. Denne ligningen, selv om den er omtrentlig, har vist seg å gi gode estimater på boblens bevegelse under det akustisk drevne feltet, bortsett fra i de siste stadiene av kollaps. Både simulering og eksperimentell måling viser at under de kritiske siste stadiene av kollaps overstiger bobleveghastigheten lydens hastighet i gassen inne i boblen. Derfor er det nødvendig med en mer detaljert analyse av boblens bevegelse utover Rayleigh - Plesset for å utforske den ekstra energifokuseringen som en internt dannet sjokkbølge kan produsere.

Fenomenets mekanisme

Mekanismen for fenomenet sonoluminescens er ukjent. Hypoteser er: sone, bremsestråling stråling , kollisjons-induserte stråling og koronautladninger , nonclassical lys , proton tunnelering , elektrodynamiske stråler og fractoluminescent dyser (nå i stor grad discredited på grunn av motsatte eksperimentelle bevis).

Fra venstre til høyre: utseende av boble, langsom ekspansjon, rask og plutselig sammentrekning, utslipp av lys

I 2002 publiserte M. Brenner, S. Hilgenfeldt og D. Lohse en anmeldelse på 60 sider som inneholder en detaljert forklaring av mekanismen. En viktig faktor er at boblen hovedsakelig inneholder inert edelgass som argon eller xenon (luft inneholder omtrent 1% argon, og mengden oppløst i vann er for stor; for at sonoluminescens skal oppstå, må konsentrasjonen reduseres til 20–40% av likevektsverdien) og varierende mengder vanndamp . Kjemiske reaksjoner fører til at nitrogen og oksygen fjernes fra boblen etter rundt hundre ekspansjonskollapsykluser. Boblen vil da begynne å avgi lys. Lysemisjonen av høyt komprimert edelgass utnyttes teknologisk i argonflashenhetene .

Under boblekollaps forårsaker tregheten i det omkringliggende vannet høyt trykk og høy temperatur og når rundt 10 000 kelvin i boblens indre, noe som forårsaker ionisering av en liten brøkdel av edelgassen som er tilstede. Mengden ionisert er liten nok til at boblen forblir gjennomsiktig, noe som tillater volumutslipp; overflateutslipp vil gi mer intens lys med lengre varighet, avhengig av bølgelengde , og motsier eksperimentelle resultater. Elektroner fra ioniserte atomer samhandler hovedsakelig med nøytrale atomer, noe som forårsaker termisk bremsstråling. Ettersom bølgen treffer et lavenergitrug, faller trykket, slik at elektroner kan rekombinere med atomer og lysutslipp opphøre på grunn av denne mangelen på frie elektroner. Dette gir en lyspuls på 160 pikosekunder for argon (selv et lite temperaturfall forårsaker et stort fall i ioniseringen på grunn av den store ioniseringsenergien i forhold til fotonenergi). Denne beskrivelsen er forenklet fra litteraturen ovenfor, som beskriver forskjellige trinn med ulik varighet fra 15 mikrosekunder (ekspansjon) til 100 pikosekunder (utslipp).

Beregninger basert på teorien presentert i anmeldelsen gir strålingsparametere (intensitet og varighetstid versus bølgelengde) som matcher eksperimentelle resultater med feil som ikke er større enn forventet på grunn av noen forenklinger (f.eks. Forutsatt en jevn temperatur i hele boblen), så det ser ut til fenomenet sonoluminescens er i det minste grovt forklart, selv om noen detaljer om prosessen forblir uklare.

Enhver diskusjon om sonoluminescens må inneholde en detaljert analyse av metastabilitet. Sonoluminescens i denne forbindelse er det som fysisk kalles et begrenset fenomen som betyr at sonoluminescensen eksisterer i et avgrenset område av parameterrom for boblen; et koblet magnetfelt er en slik parameter. De magnetiske aspektene ved sonoluminescens er veldig godt dokumentert.

Andre forslag

Kvantforklaringer

En uvanlig eksotisk hypotese om sonoluminescens, som har fått mye populær oppmerksomhet, er Casimir -energihypotesen foreslått av den kjente fysikeren Julian Schwinger og grundigere vurdert i et papir av Claudia Eberlein ved University of Sussex . Eberleins papir antyder at lyset i sonoluminescens genereres av vakuumet i boblen i en prosess som ligner Hawking -stråling , strålingen som genereres ved hendelseshorisonten for sorte hull . I følge denne vakuumenergiforklaringen, siden kvanteteorien mener at vakuum inneholder virtuelle partikler , konverterer det raskt bevegelige grensesnittet mellom vann og gass virtuelle fotoner til virkelige fotoner. Dette er relatert til Unruh -effekten eller Casimir -effekten . Argumentet har blitt fremsatt om at sonoluminescens frigjør for stor mengde energi og frigjør energien på for kort tidsskala til å være i samsvar med forklaringen på vakuumenergien, selv om andre troverdige kilder argumenterer for at vakuumenergiforklaringen ennå kan vise seg å være riktig.

Kjernefysiske reaksjoner

Noen har hevdet at Rayleigh - Plesset -ligningen beskrevet ovenfor er upålitelig for å forutsi bobletemperaturer og at faktiske temperaturer i sonoluminesceringssystemer kan være langt høyere enn 20 000 kelvin. Noen undersøkelser hevder å ha målt temperaturer så høye som 100 000 kelvin, og spekulerer i at temperaturen kan nå opp i millioner av kelvin. Denne høye temperaturen kan forårsake termonukleær fusjon . Denne muligheten blir noen ganger referert til som boblefusjon og lignes på implosjonsdesignet som brukes i fusjonskomponenten i termonukleære våpen .

27. januar 2006 hevdet forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute å ha produsert fusjon i sonoluminescensforsøk.

Eksperimenter i 2002 og 2005 av RP Taleyarkhan ved bruk av deuterert aceton viste målinger av tritium og nøytronutgang i samsvar med fusjon. Imidlertid ble papirene ansett som lav kvalitet, og det var tvil fra en rapport om forfatterens vitenskapelige feil. Dette fikk rapporten til å miste troverdigheten blant det vitenskapelige samfunnet.

Biologisk sonoluminescens

Pistolreker (også kalt snapping reker ) produserer en type kavitasjonslys fra en kollapsende boble forårsaket av at han raskt klumper. Dyret fester en spesialisert klo for å lage en kavitasjonsboble som genererer akustiske trykk på opptil 80 kPa i en avstand på 4 cm fra kloen. Når den strekker seg ut fra kloen, når boblen en hastighet på 97 km/t og gir ut en lyd som når 218 desibel. Trykket er sterkt nok til å drepe småfisk. Lyset som produseres er av lavere intensitet enn lyset som produseres ved typisk sonoluminescens og er ikke synlig for det blotte øye. Lyset og varmen som produseres har kanskje ingen direkte betydning, ettersom det er sjokkbølgen som produseres av boblen som raskt kollapser som disse rekene bruker for å bedøve eller drepe byttedyr. Imidlertid er det den første kjente forekomsten av et dyr som produserer lys av denne effekten og ble på en lunefull måte kalt "rekepoluminescens" ved oppdagelsen i 2001. Det har senere blitt oppdaget at en annen gruppe krepsdyr, mantis reker , inneholder arter hvis klubblignende Forbenene kan slå så raskt og med en slik kraft at de forårsaker sonoluminescerende kavitasjonsbobler ved støt. En mekanisk enhet med 3D -trykt snapper -klo ved fem ganger den faktiske størrelsen ble også rapportert å avgi lys på lignende måte. Denne bioinspirerte designen var basert på snapping reker snapper clow molt shed fra en Alpheus formosus , den stripete snapping rekene.

Se også

• Liste over lyskilder
• Triboluminescens
• Sonokjemi
• Akustisk bølge

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

• Detaljert beskrivelse av et sonoluminescenseksperiment
• En beskrivelse av effekten og eksperimentet, med et diagram over apparatet
• En mpg -video av boblen som kollapser (934 kB)
• Rekepoluminescens
• Impulsenheter
• Søknader om sonokjemi
• Lydbølger øker sonoluminescensen
• Sonoluminescens: Lyd inn i lys