Szonolumineszcencia

A szonolumineszcencia hang (szono) hatására létrejövő fénykibocsátás.

Felfedezése

A szonolumineszcencia jelenségét H. Frenzel and H. Schultes fedezte fel 1934-ben a kölni egyetemen. Film előhívó folyadékba ultrahang átalakítót (transducer) helyeztek azzal a reménnyel, hogy meggyorsítja az előhívási folyamatot. Ehelyett azt tapasztalták, hogy amikor megvizsgálták az előhívott filmet, apró pontokat fedeztek fel, amelyek a folyadékban lévő buborékokból származó fényfelvillanásoktól keletkezett, amikor bekapcsolták az ultrahangot. A jelenséget nem volt könnyű analizálni komplex környezeti viszonyok miatt, amely a sok nagyszámú rövidéletű buborékokból eredő fényvillanást jelenti. (Ezt a kísérletet 1933-ban leírta to N. Marinesco és J.J. Trillat is, akik szintén maguknak igényelték ezt a felfedezést). Ezt a jelenséget többszörös buborék szonolumineszcenciának hívják.

1989-ben Felipe Gaitan és Lawrence Crum bemutatott egy meghatározó kísérletet, amely haladást jelentett a szonolumineszcencia megismerésében: előállítottak egy stabil egy buborékos szonolumineszcencens (SBSL) jelenséget: egy állóhullámban csapdába ejtett buborék fényt bocsátott ki minden egyes kompresszió után. Ez a technika lehetővé tette a jelenség szisztematikus vizsgálatát, mivel a komplex jelenséget leegyszerüsítette egy buborék jól ellenőrizhető vizsgálatára. Szonolumineszcencia iránt akkor nőtt meg ismét az éredklődés, amikor feltételezték, hogy a buborék belsejében igen magas hőmérséklet keletkezik, 1 millió kelvin feletti. Az University of Illinois ( Urbana-Champaign) kutatói 20 000 kelvint tudtak mérni. A hidegháború éveiben a US Navy végzett kutatásokat a szonolumineszcencia jelenségéről.

Tulajdonságok

Szonolumineszcencia jelensége akkor keletkezik, amikor egy kellően erős hanghullám egy folyadékban egy üreget kelt, majd az szétrobban. A szonolumineszcencia jelensége laboratóriumban stabilan előállítható, amikor egy buborék keletkezik és összeomlik egymás után többször periódikusan, és közben fényt bocsát ki. Erre a célra akusztikus állóhullámot generálnak és a buborék az állóhullám maximumán helyezkedik el. A szonolumineszcencia néhány jellemzője:

• A buborékból felvillanó fény tartam igen rövid: 35 és néhány száz pikoszekundum hosszúságú, gyenge intenzitással: 1–10 mW
• A buborékok elég kisméretűek, 1 mikrométer átmérő nagyságúak, ez a folyadéktól függ.
• Az egyedi buborékos szonolumineszcencia igen stabil jelenség. A fénykibocsátás frekvenciájának nagyobb a stabilitása, mint a hanghullámot létrehozó oszcillátoré.

A vizsgálatok azt mutatták, hogy a buborék jelentős geometrikus instabilitáson keresztül megy át a Bjerknes erő és a Rayleigh–Taylor instabilitási kritérium miatt.

• Egy kis mennyiségű nemes gáz (mint például: hélium, argon vagy xenon) a buborék belsejében növeli a kibocsátott fény intenzitását.

Mérések tanúsága szerint a buborék hőmérséklete 2300K – 5100K , mely függ a kísérlet körülményeitől, a folyadéktól és a gáztól. A Nature –ben publikáltak egy cikket arról a hipotézisről, hogy a buborék belsejében forró plazma állapot uralkodik. [ Megfigyelték az ionizációt és a gerjesztett energiát, mely 18 elektronvolt volt. Ebből következtettek, hogy a buborék belsejéban legalább 20 000 kelvin lehetséges.

Rayleigh–Plesset egyenlet

A buborék mozgásának a dinamikáját első közelítésben a Rayleigh-Plesset egyenlet írja le ( Lord Rayleigh és Milton Plesset után)

$R\ddot{R}+\frac{3}{2}\dot{R}^{2}=\frac{1}{\rho}\left(p_g-P_0-P(t)-4\mu\frac{\dot{R}}{R}- \frac{2\gamma}{R}\right).$

Ez egy közelítést tartalmazó egyenlet, mely a Navier-Stokes egyeneletekből származtatható és leírja a buborék átmérőjét (R) az idő (t) függvényében.

A $\scriptstyle \mu$ a viszkozitás, ’p’ a nyomás és $\scriptstyle \gamma$ a felületi feszültség. A felülpontozás az időszerinti deriválást jelenti. Ez az egyenlet jó közelítést ad a buborék mozgására akusztikusan vezérelt tér esetén, kivéve az összeomlás pillanatát. A szimulációk és a kísérletek tanúsága szerint, az összeomlás pillanatában a buborék falának a sebessége meghaladja a hangsebességet a buborékon belül. .

A jelenség mechanizmusa

A szonolumineszcencia jelenségének mechanizmusa nem teljesen tisztázott. Több elmélet is forgalomban van: ’bremstrahlung’ sugárzás, hotspot, összeomlás indukált sugárzás, koronakisülés, nem-klasszikus fény-proton alagúteffektus, elektrodinamikus jet.

Buborék fénykibocsátása

Balról jobbra: a buborék megjelenése; lassú kiterjedés; gyors, hirtelen összeomlás; fénykibocsátás.

2002-ben , M. Brenner, S. Hilgenfeldt, és D. Lohse publikált egy 60 oldalas tanulmányt,amely tartalmazza részletesen a mechanizmus leírását. Lényeges tényező, hogy a buborék közömbös gázt tartalmazzon, mint az argon vagy xenon és változó mennyiségű vízpárát (a levegő közel 1% argont tartalmaz, és ez a mennyiség, amely eloszlik a vízben, túl nagy ahhoz, hogy szonolumineszcencia alakuljon ki. A koncentrációt csökkenteni kell az egyensúlyi érték 20-40%-ra). A kémiai reakció okozta nitrogént és oxigént el kell távolítani a buborékból körülbelül száz kiterjedés-összeomlás ciklus után. Ezután a buborék világítani kezd. Nagymértékben összenyomott nemes gázt felhasználják az villanófény eszközöknél ( argon flash ) A buborék összeomlásakor a körülötte levő víz tehetetlensége miatt nagy nyomás és magas hőmérséklet keletkezik, közel 10 000 kelvin a buborék belsejében, amely a jelenlévő nemes gáz egy részét ionizálja. A szonolumineszcencia tárgyalásának mindig része kell lennie a metastabilitás analizisének. A szonolumineszcencia mágnese aspektusai jól dokumentáltak.

Exotikus magyarázatok

A szonolumineszcencia egy exotikus elmélete, amely népszerű figyelmet kapott. a Casimir-effektus, melyet Julian Schwinger fizikus javasolt és ezt gondosan átvizsgálta Claudia Eberlein (University of Sussex.) Eberlein az az elméletet javasolta, hogy a szonolumineszcencia a vákuum által keletkezik, hasonlóan a Hawking sugárzáshoz; a sugárzást az a fekete lyukak eseményhorizontja okozza. Eszerint a vákuum energiás magyarázat szerint - mivel a kvantum elmélet azt tartja, hogy a vákuum virtuális részecskéket tartalmaz – a víz és gáz közötti gyorsan változó interfész a virtuális fotonokat valódi fotonokká alakítja át. Ez megfelel az Unruh-effektusnak vagy a Casimir-effektusnak. Ha ez igaz, akkor a szonolumineszcencia lenne az első megfigyelhető példája a kvantum vákuum sugárzásnak. , más források szerint ezt a vákuum energiás magyarázatot még korrekt módon igazolni kellene.

Nukleáris reakciók

Egyesek azzal érvelnek, hogy a fent említett Rayleigh-Plesset egyenlet nem írja le megbízhatóan a buborék hőmérsékletének becslését és egy szonolumineszkáló rendszerben a hőmérséklet jóval a 20 000 kelvin felett van. Egyes kutatók ezt a hőmérsékletet 100 000 kelvinre teszik, míg mások szerint elérheti az 1 millió kelvint is. Ilyen magas hőmérséklet termonukleáris magfúziót okozhat. Ezt a lehetőséget szokták buborék fúzióként említeni. 2006 január 27-én a Rensselaer Polytechnic Institute (USA, New York) kutatói azt publikálták, hogy sikerült fúziót előállítani szonolumineszcens kísérlet során. .

Biológiai szonolumineszcencia

A pisztoly rák (más néven: pattintós rák) elő tudja állítani a szonolumineszkálás egy formát, amikor speciális karmaival igen gyorsan pattint/harap, és az ekkor összeomló buborékok fényt bocsátanak ki. Az ekkor keletkező fény kis intenzitású és szabad szemmel nem is látható. Magának a jelenségnek nem tulajdonítanak közvetlen jelentőséget, de ez az első példa, hogy állatok is képesek ezt a hatás „előállítani”, szokták ezt a jelenséget „ ráklumineszcenciának” is hívni azóta, amióta felfedezték 2001-ben. . Ezután fedezték fel, hogy van egy másik csoport héjas állat, a mantis rák, melyek olyan gyorsan támadnak első végtagjaikkal, hogy közben szonolumineszcens jelenséget indukálnak. .

Külső hivatkozások

• http://physicsworld.com/cws/article/news/5032
• http://cams.njit.edu/~kondic/sl/sl.html
• http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2004/eaimkhong/sonoluminescence.htm
• http://www.impulsedevices.com/
• http://stilton.tnw.utwente.nl/shrimp/
• http://www.macgeisler.de/nld/sbsl-howto.html
• http://www.techmind.org/sl/
• http://www.webcitation.org/query?url=http://www.geocities.com/hbomb41ca/sono.html&date=2009-10-25+23:46:32
• http://arxiv.org/abs/quant-ph/9904013
• http://arxiv.org/abs/hep-th/9811174