Кіріспе
Сонолюминесценция – дыбыс әсерінен қозғанда сұйықтықтағы көпіршіктердің күйреуінен жарық шығуы. Сонолюминесценция алғаш рет 1934 жылы Кельн университетінде ашылды. Бұл құбылыс жеткілікті қарқынды дыбыс толқыны сұйықтықтағы газды қуысты жылдам күйретіп, жарық шығару арқылы жүзеге асады. Бұл құбылысты тұрақты бір көпіршіктік сонолюминесценция (SBSL) және көп көпіршіктік сонолюминесценция (MBSL) түрлерінде байқауға болады. 1960 жылы Питер Джарман сонолюминесценцияның термиялық текті болуы мүмкін және күйреп жатқан қуыстардағы микросоқтардан туындауы мүмкін деп ұсынды. Кейінгі эксперименттер SBSL кезінде көпіршік ішіндегі температураның өте жоғары деңгейге жететінін көрсетті. Сонолюминесценцияның нақты механизмі әлі белгісіз, түрлі гипотезалар бар, оның ішінде «ыстық нүкте», тормоздық сәулелену және соқтығысудан туындаған сәулелену. Кейбір зерттеушілер сонолюминесценттік жүйелерде температура миллиондаған Кельвинге жете алатынын, бұл термоядролық синтезге әкелуі мүмкін деп болжайды; алайда, бұл идея басқа зерттеушілер тарапынан күмәнмен қабылданды. Бұл құбылыс табиғатта да кездеседі, мысалы, пистолеттік креветка – сонолюминесценция арқылы жарық шығаратын жануардың алғашқы белгілі мысалы.
Sonoluminescence is the emission of light from imploding bubbles in a liquid when excited by sound. Sonoluminescence was first discovered in 1934 at the University of Cologne. It occurs when a sound wave of sufficient intensity induces a gaseous cavity within a liquid to collapse quickly, emitting a burst of light. The phenomenon can be observed in stable single bubble sonoluminescence (SBSL) and multi bubble sonoluminescence (MBSL). In 1960, Peter Jarman proposed that sonoluminescence is thermal in origin and might arise from microshocks within collapsing cavities. Later experiments revealed that the temperature inside the bubble during SBSL could reach up to The exact mechanism behind sonoluminescence remains unknown, with various hypotheses including hotspot, bremsstrahlung, and collision induced radiation. Some researchers have even speculated that temperatures in sonoluminescing systems could reach millions of kelvins, potentially causing thermonuclear fusion; this idea, however, has been met with skepticism by other researchers. The phenomenon has also been observed in nature, with the pistol shrimp being the first known instance of an animal producing light through sonoluminescence.
Тарих
Сонолюминесценция эффектісі алғаш рет 1934 жылы Кёльн университетінде сонар жұмыстары барысында ашылды. Герман Френцель мен Х. Шультес ультрадыбыс трансляторын фотодамыту сұйықтығымен толтырылған ыдысқа орналастырды. Олар дамыту процесін үдетпек болды. Бірақ, дамытудан кейін пленкадағы ұсақ нүктелерді байқап, сұйықтықтағы көпіршіктер ультрадыбыс қосылғанда жарық шығаратынын анықтады. Көптеген қысқа өмір сүретін көпіршіктердің күрделі ортасының салдарынан, алғашқы тәжірибелерде эффектіні талдау қиын болды. Бұл құбылыс қазір көп көпіршікті сонолюминесценция (MBSL) деп аталады. 1960 жылы Лондон Императорлық колледжінен Питер Джарман сонолюминесценция құбылысының ең сенімді теориясын ұсынды. Ол сонолюминесценцияның негізінен жылулық сипатқа ие екенін және ықтимал микросоқтардың нәтижесі болуы мүмкін деген қорытындыға келді. 1990 жылы Гайтан мен Крум тұрақты бір көпіршікті сонолюминесценцияны (SBSL) жасап, эксперименттік табысқа қол жеткізді. SBSL-де акустикалық тұрақты толқында тұтқындалған бір көпіршік, толқын ішіндегі қысылу әрбір ретінде жарық импульсін шығарады. Бұл техника құбылысты жүйелі зерттеуге мүмкіндік берді, өйткені ол күрделі әсерлерді бір тұрақты, болжамды көпіршікке тоғыстырды. 2012 жылы жасалған экспериментте көпіршік ішіндегі температура болатты ерітуге жеткілікті жоғары екені анықталды. Бұл температура әзірге нақты дәлелденген жоқ; керісінше, соңғы тәжірибелер температура шамасын көрсетіп тұр. Спектральды өлшеулер көпіршік температурасын анықтады, нақты мәні сұйықтық пен газдың құрамына байланысты. Жоғары температураға тән қысқа толқынды жарыққа сұйықтықтың мөлдір еместігіне байланысты, спектральді әдістермен жоғары температураны анықтау шектеулі. Бір зерттеуде плазманың пайда болуына негізделген температураны анықтау әдісі сипатталған. Күкірт қышқылындағы аргон көпіршіктерін пайдалану арқылы алынған деректер иондалған молекулалық оттегі, күкірт монооксиді және жоғары энергиялы қоздырылған күйдегі атомдық аргонның бар екенін көрсетті, бұл көпіршіктердің ыстық плазмалық ядросы бар деген гипотезаны растайды. Олар байқаған диоксигенил катиондарының иондану және қоздыру энергиясы ядролық температураның кем дегенде —Күн бетінен де жоғары екенін көрсетеді.
Spectral measurements have given bubble temperatures in the range from , the exact temperatures depending on experimental conditions including the composition of the liquid and gas. Detection of very high bubble temperatures by spectral methods is limited due to the opacity of liquids to short wavelength light characteristic of very high temperatures. A study describes a method of determining temperatures based on the formation of plasmas. Using argon bubbles in sulfuric acid, the data shows the presence of ionized molecular oxygen , sulfur monoxide, and atomic argon populating high energy excited states, which confirms a hypothesis that the bubbles have a hot plasma core. The ionization and excitation energy of dioxygenyl cations, which they observed, is From this observation, they conclude the core temperatures reach at least —hotter than the surface of the Sun.
құбылыстардың механизмі
Сонолюминесценция құбылысының механизмі белгісіз. Гипотезаларға мыналар жатады: ыстық нүкте, тормоздық сәулелену, соқтығысудан туындаған сәулелену және короналық разрядтар, классикалық емес жарық, протондық туннельдеу, электродинамикалық ағындар және фрактолюминесценттік ағындар (қазір тәжірибелік деректерге қайшы келетін себепті көбінесе жоққа шығарылды). 2002 жылы М. Бреннер, С. Хилгенфелдт және Д. Лохсе 60 беттік шолу жариялады, онда механизмнің толыққанды түсіндірілуі бар. Маңызды фактор – көпіршікте негізінен аргон немесе ксенон сияқты инертті асыл газдың болуы (ауада 1% аргон бар, ал суда еріген мөлшері тым көп; сонолюминесценцияның пайда болуы үшін концентрация тепе-теңдік мәнінің 20-40%-ына дейін төмендетілуі керек) және әр түрлі мөлшерде су буы. Химиялық реакциялар жүздеген кеңею-құлау циклдарынан кейін көпіршіктен азот пен оттегінің шығарылуына себеп болады. Содан кейін көпіршік жарық шығара бастайды. Жоғары қысылған асыл газдың жарық шығару қасиеті аргонды шамдарда технологиялық мақсатта қолданылады. Көпіршік құлау кезінде қоршаған судың инерциясы жоғары қысым мен температураға алып келеді, көпіршік ішінде шамамен 10,000 кельвинге жетеді, нәтижесінде асыл газдың шағын бөлігі иондалады. Иондалған мөлшер көпіршіктің мөлдір болып қалуы үшін жеткілікті түрде аз, бұл көлемдік эмиссияға мүмкіндік береді; беттік эмиссия толқын ұзындығына байланысты, эксперименттік нәтижелерге қайшы келетін, ұзаққа созылған және қарқынды жарық шығарады. Иондалған атомдардың электрондары негізінен бейтарап атомдармен өзара әрекеттесіп, жылулық тормоздық сәулеленуді тудырады. Толқын төмен энергиялық нүктеге жеткенде қысым төмендейді, электрондар атомдармен қайта бірігіп, еркін электрондардың жетіспеуіне байланысты жарық эмиссиясы тоқтатылады. Бұл аргон үшін 160 пикосекундтық жарық импульсін құрайды (температураның шағын төмендеуі фотон энергиясына қатысты үлкен иондалу энергиясының салдарынан иондалудың күрт төмендеуіне әкеледі). Бұл сипаттама жоғарыда аталған әдебиеттен алынған, онда 15 микросекундтан (кеңею) 100 пикосекундқа (эмиссия) дейінгі әртүрлі ұзақтықтағы әртүрлі қадамдар егжей-тегжейлі сипатталған. Талқылауда ұсынылған теорияға негізделген есептеулер сәулелену параметрлерін (толқын ұзындығына қарсы интенсивтілік және ұзақтық) шығарады, олар кейбір жеңілдетулерге байланысты күтілгеннен аспайтын қателермен тәжірибелік нәтижелермен сәйкес келеді (мысалы, бүкіл көпіршікте біркелкі температураны болжау), сондықтан сонолюминесценция құбылысы кем дегенде шамамен түсіндірілген, бірақ процестің кейбір егжей-тегжейі әлі де түсініксіз болып қалады. Сонолюминесценция туралы кез келген талқылауда метастабильділіктің толыққанды талдауы болуы керек. Осы тұрғыдан алғанда сонолюминесценция физикалық мағынада шектелген құбылыс болып табылады, яғни сонолюминесценция көпіршік параметрлерінің шектелген аймағында ғана болады; біріктірілген магнит өрісі осындай параметрлердің бірі болып табылады. Сонолюминесценцияның магниттік аспектілері жақсы зерттелген.
Кванттық түсіндірмелер
Сонолюминесценцияның ерекше және едәуір экзотикалық гипотезасы, көпшілік назарын қатты аударған, белгілі физик Джулиан Швингер ұсынған Казимир энергиясы гипотезасы және Сассекс университетінің Клаудия Эберлейн зерттеген мақаласында жан-жақты қарастырылған. Эберлейннің мақаласында сонолюминесценциядағы жарық, Хокинг сәулесіне ұқсас процесс арқылы көпіршіктегі вакуумның әсерінен пайда болады делінген, яғни қара құрдымдардың оқиға горизонтінде туындайтын сәуле. Осы вакуум энергиясы түсіндірмесіне сәйкес, кванттық теория вакуумда виртуалды бөлшектер бар екенін көрсетеді, сондықтан су мен газ арасындағы жылдам қозғалатын шекара виртуалды фотондарды нақты фотондарға айналдырады. Бұл Унру эффектісі немесе Казимир эффектісімен байланысты. Кейбір аргументтер сонолюминесценция тым көп энергияны және тым қысқа мерзім ішінде бөліп шығарады, бұл вакуум энергиясы түсіндірмесімен үйлеспейді, бірақ басқа сенімді дереккөздер вакуум энергиясы түсіндірмесінің әлі де дұрыс болуы мүмкін екенін айтады.
Ядролық реакциялар
Кейбіреулер жоғарыда сипатталған Рейли-Плесет теңдеуі көпіршік температурасын болжау үшін сенімді емес екенін, ал сонолюминесценттік жүйелердегі нақты температура 20 000 кельвиннен әлдеқайда жоғары болуы мүмкін деп санайды. Кейбір зерттеулер температураны 100 000 кельвинге дейін өлшегенін мәлімдейді және температура миллиондаған кельвинге жете алуы мүмкін деген болжам бар. Мұндай жоғары температура термоядролық синтезді тудыруы мүмкін. Бұл мүмкіндік кейде "көпіршік синтезі" деп аталады және термоядролық қарудың синтез бөлігінде қолданылатын имплозиялық схемамен салыстырылады. 2002 және 2005 жылдары Р. П. Талеярханның деутерленген ацетонды қолданған эксперименттері синтезге сәйкес келетін тритий және нейтрон шығару өлшемдерін көрсетті. Дегенмен, бұл мақалалар төмен сапалы деп танылды және автордың ғылыми адалдығына қатысты күмән тудырды. Бұл есепті ғылыми қауымдастықта сенімсіз етуге әкеп соқты. 2006 жылдың 27 қаңтарында Ренсселер политехникалық институтының зерттеушілері сонолюминесценция эксперименттерінде синтезді жүзеге асырғанын хабарлады.
Биологиялық сонолюминесценция
Пистолеттік шаян (немесе қақпақ шаян) жылдам жабылатын қысқышынан пайда болатын құлаған көпіршіктен кавитациялық люминесценцияның бір түрін шығарады. Шаян арнайы қысқышын жауып, кавитациялық көпіршік жасайды, ол қысқыштан 4 см қашықтықта 80 кПа-ға дейін акустикалық қысым тудырады. Көпіршік қысқыштан сыртқа қарай сағатына 97 километр жылдамдықпен қозғалып, 218 децибелге дейін дыбыс шығарады. Бұл қысым кішкентай балықтарды өлтіруге жеткілікті. Шығаратын жарық әдеттегі сонолюминесценцияға қарағанда нашаррақ және жалаң көзбен көрінбейді. Көпіршік тудыратын жарық пен жылу тікелей маңызға ие болмауы мүмкін, себебі шаянның олжаны басып тастау немесе өлтіру үшін пайдаланатыны – осы жылдам құлап жатқан көпіршік тудыратын соққы толқыны. Дегенмен, жануардың осы әсер арқылы жарық шығаруының алғашқы мысалы осы және 2001 жылы жарық көрген кезде оған «шаян люминесценциясы» деген есім берілді. Кейіннен, басқа да қабыршақтылар тобында, яғни мантис шаянында, алдыңғы аяқтарын өте жылдам және күшпен соғып, соққы тиген кезде сонолюминесценттік кавитациялық көпіршіктер тудыра алатын түрлер табылды. Бұл биошабытталған дизайн Alpheus formosus, жолақты пистолеттік шаянның қысқыш қабығынан алынған.