Светоизлучение при схлопывании пузырьков, вызванное звуком

Введение

Световое излучение при схлопывании пузырьков, вызванном звуком

Сонолюминесценция – это излучение света при схлопывании пузырьков в жидкости, возбужденных звуком. Сонолюминесценция была впервые обнаружена в 1934 году в Кельнском университете. Она возникает, когда звуковая волна достаточной интенсивности вызывает быстрое схлопывание газовой полости в жидкости, сопровождающееся вспышкой 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 быть вызвана микроударами внутри схлопывающихся полостей. Последующие эксперименты показали, что температура внутри пузырька во время SBSL может достигать. Точный механизм сонолюминесценции остается неизвестным, существуют различные гипотезы, включая гипотезу горячей точки, тормозного излучения и излучения, вызванного столкновениями. Некоторые исследователи даже предполагали, что температура в сонолюминесцирующих системах может достигать миллионов кельвинов, что потенциально может привести к термоядерному синтезу; однако эта идея встретила скептицизм со стороны других исследователей. Это явление также наблюдается в природе, при этом креветка-щелкун является первым известным примером животного, производящего свет посредством сонолюминесценции.

История

Эффект сонолюминесценции был впервые обнаружен в Кельнском университете в 1934 году в результате работы с сонаром. Герман Френцель и Х. Шультес поместили ультразвуковой преобразователь в резервуар с проявляющей жидкостью для фотографий. Они надеялись ускорить процесс проявки. Вместо этого они заметили крошечные точки на пленке после проявки и поняли, что пузырьки в жидкости излучают свет при включенном ультразвуке. Анализ эффекта в ранних экспериментах был затруднен из-за сложной среды, содержащей большое количество недолговечных пузырей. Это явление теперь называется многопузырьковой сонолюминесценцией (MBSL). В 1960 году Питер Джарман из Имперского колледжа Лондона предложил наиболее надежную теорию феномена сонолюминесценции. Он пришел к выводу, что сонолюминесценция по сути имеет тепловую природу и может возникать из-за микроударов при схлопывании полостей. В 1990 году Гайтан и Крум сообщили об экспериментальном прорыве, получив стабильную однопузырьковую сонолюминесценцию (SBSL). В SBSL одиночный пузырь, захваченный в акустической стоячей волне, излучает импульс света при каждом сжатии внутри стоячей волны. Эта техника позволила более систематически изучать явление, поскольку она изолировала сложные эффекты в один стабильный, предсказуемый пузырь. Было установлено, что температура внутри пузыря достаточно высока, чтобы плавить сталь, как показано в эксперименте, проведенном в 2012 году; температура внутри пузыря при схлопывании достигала примерно Интерес к сонолюминесценции возродился, когда была постулирована внутренняя температура такого пузыря, значительно превышающая . Эта температура до сих пор не доказана окончательно; скорее, недавние эксперименты указывают на температуры около спектральные измерения дают температуры пузырей в диапазоне от , точные температуры зависят от экспериментальных условий, включая состав жидкости и газа. Обнаружение очень высоких температур пузырей спектральными методами ограничено из-за непрозрачности жидкостей для света с короткой длиной волны, характерного для очень высоких температур. В одном исследовании описан метод определения температуры на основе образования плазмы. Используя пузырьки аргона в серной кислоте, данные показывают наличие ионизированного молекулярного кислорода, монооксида серы и атомного аргона, населяющих высокоэнергетические возбужденные состояния, что подтверждает гипотезу о том, что пузырьки имеют горячее плазменное ядро. Энергия ионизации и возбуждения диоксигенил-катионов, которую они наблюдали, составляет . Из этого наблюдения они заключают, что температура ядра достигает по крайней мере —горячее, чем температура поверхности Солнца.

The sonoluminescence effect was first discovered at the University of Cologne in 1934 as a result of work on sonar. Hermann Frenzel and H. Schultes put an ultrasound transducer in a tank of photographic developer fluid. They hoped to speed up the development process. Instead, they noticed tiny dots on the film after developing and realized that the bubbles in the fluid were emitting light with the ultrasound turned on. It was too difficult to analyze the effect in early experiments because of the complex environment of a large number of short lived bubbles. This phenomenon is now referred to as multi bubble sonoluminescence (MBSL). In 1960, Peter Jarman from Imperial College of London proposed the most reliable theory of sonoluminescence phenomenon. He concluded that sonoluminescence is basically thermal in origin and that it might possibly arise from microshocks with the collapsing cavities. In 1990, an experimental advance was reported by Gaitan and Crum, who produced stable single bubble sonoluminescence (SBSL). In SBSL, a single bubble trapped in an acoustic standing wave emits a pulse of light with each compression of the bubble within the standing wave. This technique allowed a more systematic study of the phenomenon because it isolated the complex effects into one stable, predictable bubble. It was realized that the temperature inside the bubble was hot enough to melt steel, as seen in an experiment done in 2012; the temperature inside the bubble as it collapsed reached about Interest in sonoluminescence was renewed when an inner temperature of such a bubble well above was postulated. This temperature is thus far not conclusively proven; rather, recent experiments indicate temperatures around
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.

Механизм явлений

Механизм феномена сонолюминесценции неизвестен. Гипотезы включают: горячие точки, тормозное излучение, излучение, индуцированное столкновениями, и коронные разряды, неклассический свет, туннелирование протонов, электродинамические струи и фрактолюминесцентные струи (в настоящее время в значительной степени дискредитированы из-за противоречащих экспериментальных данных). В 2002 году М. Бреннер, С. Хильгенфельдт и Д. Лозе опубликовали 60-страничный обзор, содержащий подробное объяснение механизма. Важным фактором является то, что пузырь содержит в основном инертный благородный газ, такой как аргон или ксенон (воздух содержит около 1% аргона, а количество, растворенного в воде, слишком велико; для возникновения сонолюминесценции концентрацию необходимо снизить до 20–40% от ее равновесного значения) и переменное количество водяного пара. Химические реакции приводят к удалению азота и кислорода из пузыря примерно после ста циклов расширения и схлопывания. После этого пузырь начинает излучать свет. Световое излучение сильно сжатого благородного газа используется в технологиях, таких как аргоновые вспышки. Во время схлопывания пузыря инерция окружающей воды вызывает высокое давление и высокую температуру, достигающую около 10 000 кельвинов внутри пузыря, что приводит к ионизации небольшой доли присутствующего благородного газа. Количество ионизированного газа достаточно мало, чтобы пузырь оставался прозрачным, обеспечивая объемное излучение; поверхностное излучение создавало бы более интенсивный свет большей продолжительности, зависящий от длины волны, что противоречит экспериментальным результатам. Электроны из ионизированных атомов взаимодействуют главным образом с нейтральными атомами, вызывая тепловое тормозное излучение. Когда волна достигает точки минимальной энергии, давление падает, позволяя электронам рекомбинировать с атомами и прекращая светоизлучение из-за недостатка свободных электронов. Это приводит к 160-пикосекундному световому импульсу для аргона (даже небольшое падение температуры вызывает значительное падение ионизации из-за большой энергии ионизации по сравнению с энергией фотона). Это описание упрощено по сравнению с вышеупомянутой литературой, в которой подробно описаны различные этапы различной продолжительности – от 15 микросекунд (расширение) до 100 пикосекунд (излучение). Вычисления, основанные на теории, представленной в обзоре, дают параметры излучения (интенсивность и длительность импульса в зависимости от длины волны), которые соответствуют экспериментальным результатам с погрешностью, не превышающей ожидаемой из-за некоторых упрощений (например, предположения о равномерной температуре во всем пузыре). Таким образом, феномен сонолюминесценции, по крайней мере, приблизительно объяснен, хотя некоторые детали процесса остаются неясными. Любое обсуждение сонолюминесценции должно включать детальный анализ метастабильности. В этом отношении сонолюминесценция является физически определенным ограниченным явлением, то есть сонолюминесценция существует в ограниченной области параметрического пространства для пузыря, одним из таких параметров является связанное магнитное поле. Магнитные аспекты сонолюминесценции хорошо задокументированы.

The mechanism of the phenomenon of sonoluminescence is unknown. Hypotheses include: hotspot, bremsstrahlung radiation, collision induced radiation and corona discharges, nonclassical light, proton tunneling, electrodynamic jets and fractoluminescent jets (now largely discredited due to contrary experimental evidence). In 2002, M. Brenner, S. Hilgenfeldt, and D. Lohse published a 60 page review that contains a detailed explanation of the mechanism. An important factor is that the bubble contains mainly inert noble gas such as argon or xenon (air contains about 1% argon, and the amount dissolved in water is too great; for sonoluminescence to occur, the concentration must be reduced to 20–40% of its equilibrium value) and varying amounts of water vapor. Chemical reactions cause nitrogen and oxygen to be removed from the bubble after about one hundred expansion collapse cycles. The bubble will then begin to emit light. The light emission of highly compressed noble gas is exploited technologically in the argon flash devices. During bubble collapse, the inertia of the surrounding water causes high pressure and high temperature, reaching around 10,000 kelvins in the interior of the bubble, causing the ionization of a small fraction of the noble gas present. The amount ionized is small enough for the bubble to remain transparent, allowing volume emission; surface emission would produce more intense light of longer duration, dependent on wavelength, contradicting experimental results. Electrons from ionized atoms interact mainly with neutral atoms, causing thermal bremsstrahlung radiation. As the wave hits a low energy trough, the pressure drops, allowing electrons to recombine with atoms and light emission to cease due to this lack of free electrons. This makes for a 160 picosecond light pulse for argon (even a small drop in temperature causes a large drop in ionization, due to the large ionization energy relative to photon energy). This description is simplified from the literature above, which details various steps of differing duration from 15 microseconds (expansion) to 100 picoseconds (emission). Computations based on the theory presented in the review produce radiation parameters (intensity and duration time versus wavelength) that match experimental results with errors no larger than expected due to some simplifications (e. g., assuming a uniform temperature in the entire bubble), so it seems the phenomenon of sonoluminescence is at least roughly explained, although some details of the process remain obscure. Any discussion of sonoluminescence must include a detailed analysis of metastability. Sonoluminescence in this respect is what is physically termed a bounded phenomenon meaning that the sonoluminescence exists in a bounded region of parameter space for the bubble; a coupled magnetic field being one such parameter. The magnetic aspects of sonoluminescence are very well documented.

Квантовые объяснения

Необычайно экзотической гипотезой сонолюминесценции, получившей широкую известность, является гипотеза энергии Казимира, предложенная выдающимся физиком Джулианом Швингером и более детально рассмотренная в работе Клаудии Эберлейн из Университета Сассекса. В работе Эберлейн предполагается, что свет при сонолюминесценции генерируется вакуумом внутри пузыря в процессе, аналогичном излучению Хокинга – излучению, возникающему на горизонте событий чёрных дыр. Согласно этому объяснению, основанному на энергии вакуума, поскольку квантовая теория постулирует наличие виртуальных частиц в вакууме, быстродвижущаяся граница между водой и газом преобразует виртуальные фотоны в реальные. Это связано с эффектом Унру или эффектом Казимира. Высказывалось мнение, что сонолюминесценция высвобождает слишком много энергии за слишком короткий промежуток времени, чтобы соответствовать объяснению на основе энергии вакуума, однако другие авторитетные источники утверждают, что это объяснение всё же может оказаться верным.

Ядерные реакции

Некоторые утверждают, что описанное выше уравнение Рэйли-Плесета ненадёжно для предсказания температуры пузырей, и что фактические температуры в системах сонолюминесценции могут быть значительно выше 20 000 кельвинов. Некоторые исследования заявляют об измерении температур до 100 000 кельвинов и предполагают, что температура может достигать миллионов кельвинов. Такие высокие температуры могли бы вызвать термоядерный синтез. Эта возможность иногда называется пузырьковым синтезом и аналогична имплозионной схеме, используемой в термоядерном оружии. Эксперименты, проведённые Р. П. Талеярханом в 2002 и 2005 годах с использованием деутерированного ацетона, показали измерения трития и потока нейтронов, согласующиеся с реакцией синтеза. Однако эти публикации были признаны некачественными, и возникли сомнения, вызванные докладом о научном недобросовестном поведении автора. Это подорвало доверие к докладу в научном сообществе. 27 января 2006 года исследователи из Политехнического института Ренсселера заявили о получении термоядерного синтеза в экспериментах по сонолюминесценции.

Биологическая сонолюминесценция

Пылеметная креветка (также называемая щелкающей креветкой) производит вид кавитационной люминесценции, возникающей из схлопывающегося пузыря, вызванного быстрым захлопыванием клешни. Животное захлопывает специализированную клешню, создавая кавитационный пузырь, который генерирует акустическое давление до 80 кПа на расстоянии 4 см от клешни. По мере расширения от клешни, пузырь достигает скорости 97 км/ч и излучает звук, достигающий 218 децибел. Давление достаточно велико, чтобы убить мелкую рыбу. Интенсивность производимого света ниже, чем у обычной сонолюминесценции, и он не виден невооруженным глазом. Свет и тепло, производимые пузырем, могут не иметь прямого значения, поскольку именно ударная волна, создаваемая быстро схлопывающимся пузырем, используется этими креветками для оглушения или убийства добычи. Однако это первый известный случай, когда животное производит свет таким образом, и после его открытия в 2001 году ему причудливо дали название "креветолюминесценция". Впоследствии было обнаружено, что другая группа ракообразных, креветки-богомолы, содержит виды, чьи булавовидные передние конечности могут наносить удары настолько быстро и с такой силой, что при ударе индуцируют сонолюминесцентные кавитационные пузыри. Этот биоинспирированный дизайн был основан на линьке клешни щелкающей креветки Alpheus formosus, полосатой щелкающей креветки.