Sonoluminiscencija

Slika dugotrajne ekspozicije multi-mehurne sonoluminiscencije formirane ultra zvukom visokog intenziteta

Sonoluminiscencija je neobičan fenomen koji je prouzrokovan delovanjem ultrazvučnih talasa u tečnosti. Oni stvaraju mehure koji emituju svetlost kad se tečnost u njih uruši. Efekat je još veći ako je gas plemenit. Ovaj fenomen je slučajno primećen tokom ogleda na jednom univerzitetu u Nemačkoj.

Istorijat

Sonoluminiscencija je primećena na univerzitetu u Kelnu 1934. Naučnici H. Frenzel i H. Šultes su pokušali da ubrzaju proces nastajanja fotografije postavivši izvor ultrazvuka u rezervoar sa tečnošću za razvijanje. Umesto toga, primetili su tačke na razvijenom filmu i shvatili su da su mehurići u tečnosti emitovali svetlost pod uticajem ultrazvuka. Ovaj eksperiment se pripisuje i paru naučnika N. Marinesko i J. J. Trilat (smatra se da su ga izvršili 1933).

Odlike

Sonoluminiscencija može da se dogodi kada zvučni talas (potreban frekvencije od oko 25 kHz) načine udubljenje od gasa u koje propadne tečnost. Blijesci su veoma kratki – traju između trideset i nekoliko stotina pikosekundi. Mehuri su veoma sitni kada emituju svetlost, veličine su 1 mikrometar u prečniku (u zavisnosti od vrste tečnosti i gasa). Jednomehurna sonoluminiscencija može da ima stalne periode i položaje. Dodavanje plemenitog gasa (kao što su helijum, argon, ksenon) u mehur povećava intenzitet svetlosti. Spektralnom analizom se dobijaju temperature mehura između 2900 i 5.100 K. Tačne temperature zavise od uslova izvođenja eksperimenta uključujući sastave tečnosti i gasa.

Mehanika fluida

Dinamika kretanja mehura je određena prvom aproksimacijom Rayleigh-Plesset jednačine

$R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}={\frac {1}{\rho }}\left(p_{g}-P_{0}-P(t)-4\eta {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)$,

gde je t vreme, p pritisak, η viskoznost i γ površinski napon.

Ovo je aproksimacija jednačine koja je izvedena iz Navije-Stoksovih jednačina (koje definišu kretanje viskoznih fluida, dobijaju se primenom drugog Njutnovog zakona na fluide) i opisuje kretanje radijusa R u funkciji od vremena t. Jednačina, iako aproksimirana, daje odlične pretpostavke kako će mehur da se uruši pod uticajem zvučnih talasa.

Opis fenomena

Sleva nadesno: pojava mehura, uvećavanje, iznenadno urušavanje, osvetljenje.

Način na koji deluje sonoluminiscencija još nije tačno utvrđen. Neke od teorija su: tačka usijanja; Bremstrahlungova radijacija (zakočno zračenje), elektromagnetna radijacija nastala ubrzavanjem naelektrisane čestice posle odbijanja od druge naelektrisane čestice; sudarom izavana radijacija i pražnjenja korone, električno pražnjenje prouzrokovano jonizacijom tečnosti u okolini provodnika; neklasična svetlost, stanje svetlosti koje ne može da se objasni koristeći klasični elektromagnetizam; protonski tuneli, itd.

Bitan faktor je da mehur sadrži plemeniti gas (kao argon ili ksenon). Hemijske reakcije čine da se azot i kiseonik uklone iz mehura posle stotinak ciklusa širenje-propadanje. Mehur će onda početi da emituje svetlost. Dok se mehur urušava, inercija okolne tečnosti prouzrokuje veliku brzinu i pritisak tečnosti. Na taj način dostiže temperaturu od 10.000 K u unutrašnjosti mehura što dovodi do jonizacije malog dela plemenitog gasa. Količina koja je jonizovana je dovoljno mala da mehur ostane providan dopuštajući emisiju zvuka. Površinsko zračenje stvara više svetlosti dužeg trajanja, zavisno od talasne dužine. Kako talas dostiže manju energiju, pritisak opada dozvoljavajući elektronima da se grupišu sa atomima i isijavanje se smanji.

Sonoluminiscencija u prirodi

Otkriveno je da u prirodi postoji takozvani račić-pištolj koristi neki tip sonoluminiscencije koju stvara pomoću specijalizovanih klešta i time ubija žrtvu (uglavnom zbog velikih temperatura).

Dodatna literatura

• Putterman, S.J. (1. 2. 1995). „Sonoluminescence: Sound into light” (PDF). Scientific American. 272 (2): 46—51. ISSN 0036-8733. doi:10.1038/scientificamerican0295-46. Arhivirano iz originala (PDF) 31. 3. 2007. g. Pristupljeno 13. 3. 2011. 
• H. Frenzel & H. Schultes (1934). „Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser”. Z. Phys. Chem. B27: 421. 
• Gaitan, D. F.; L. A. Crum, R. A. Roy, and C. C. Church (1992—06). „Sonoluminescence and bubble dynamics for a single, stable, cavitation bubble”. The Journal of the Acoustical Society of America. 91 (6): 3166—3183. doi:10.1121/1.402855.  CS1 održavanje: Višestruka imena: spisak autora (veza)
• Brenner, Michael P.; Hilgenfeldt, Sascha; Lohse, Detlef (13. 5. 2002). „Single bubble sonoluminescence” (PDF). Reviews of Modern Physics. The American Physical Society. 74 (2): 425—484. doi:10.1103/RevModPhys.74.425. Pristupljeno 27. 5. 2008. 
• Taleyarkhan, R. P.; C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, Jr., R. Nigmatulin, and R. C. Block (8. 3. 2002). „Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation”. Science. 295 (1868). ISSN 0036-8075. Pristupljeno 13. 5. 2007. CS1 održavanje: Višestruka imena: spisak autora (veza)
• "Tiny Bubbles Implode With the Heat of a Star", New York Times article. Registration and small fee may be required.
• John D. Wrbanek, et al.(2009): Investigating Sonoluminescence as a Means of Energy Harvesting. pages 605–637, in: Marc G. Millis, Eric W. Davis: Frontiers of Propulsion Science. American Inst. of Aeronautics & Astronautics, Reston, ISBN 978-1-56347-956-4, Abstract NASA Technical Reports Server
• For a "How to" guide for student science projects see: Robert Hiller and Bradley Barber (1995). „Producing Light from a Bubble of Air”. Scientific American. 272 (2): 96—98. doi:10.1038/scientificamerican0295-96. 

Spoljašnje veze

Sajtovi gde mogu da se nađu detaljnija objašnjenja i opisi eksperimenata:

• Sonoluminiscencija
• Sonoluminescence.com
• Sonoluminiscencija