Szonolumineszcencia

A szonolumineszcencia  az a jelenség, amikor a folyadékban erős ultrahanghullám által generált kavitációs buborékok összeomlása során felvillanó fény jelenik meg . A szonolumineszcencia megfigyelésének tipikus tapasztalata a következő: egy víztartályba rezonátort helyeznek, és abban álló gömb alakú ultrahanghullámot hoznak létre. Elegendő ultrahangteljesítmény mellett a tartály közepén egy világos pontszerű kékes fényforrás jelenik meg - a hang fénnyé változik.

Történelem és korai kutatás

Annak ellenére, hogy a jelenséget először az 1930 -as években figyelték meg , a szonolumineszcencia mechanizmusa sokáig teljesen érthetetlen volt. Ez annak köszönhető, hogy az első kísérletekben csak egyszeri és meglehetősen halvány villanások voltak láthatók, vagyis mindvégig nem sikerült megtalálni az optimális feltételeket a szonolumineszcencia kialakulásához.

Az 1990-es években olyan installációk jelentek meg, amelyek erős, folyamatos, stabil szonolumineszcens fényt adtak. Ennek köszönhetően lehetővé vált a szonolumineszcens fény vizsgálata nem fotófilmek segítségével (vagyis a fény hosszú időn át történő felhalmozásával), hanem valós időben, kiváló idő- és térbeli felbontással. A kísérletek kimutatták, hogy a szonlumineszcens fény a következő ciklusból származik:

• Az álló ultrahanghullám a ritkítási fázisban nagyon alacsony nyomást hoz létre a vízben, ami a víz lokális megrepedéséhez és kavitációs buborék kialakulásához vezet.
• Az ultrahanghullám periódusának körülbelül egynegyede alatt (azaz amíg a nyomás nagyon alacsony marad) a buborék nő, és ha az állóhanghullám gömbszimmetrikus, akkor a buborék gömb alakú marad. Egyes kísérletekben a buborék átmérője elérte a milliméter töredékeit.
• A kompressziós fázisban a kavitációs buborék összeomlik, és egyre gyorsabban. Az összeomlási folyamatot a felületi feszültség ereje is felgyorsítja .
• Az időszak utolsó töredékeiben egy nagyon rövid és erős fényvillanás szökik ki az összeomlott buborék közepéből. Mivel az álló üzemmódban a kavitációs buborék másodpercenként milliószor megszületik és összeomlik , az átlagos szonolumineszcens fényt látjuk.

A fizikai intuíció szempontjából a szonolumineszcenciának számos paradox tulajdonsága van.

• A szonolumineszcencia közönséges vízben a leghatékonyabb. Csak az utóbbi években[ mikor? ] nehezen sikerült elérni a szonolumineszcencia előfordulását más folyadékokban.
• A vízben oldott inert gázok kis koncentrációja jelentősen fokozza a hatást.
• A szonolumineszcens fény fényereje drámaian megnő, ahogy a víz lehűl.
• A fényes szonolumineszcens vaku általában többé-kevésbé egyenletes spektrummal rendelkezik, külön spektrumvonalak nélkül . Ez a spektrum meredeken növekszik az ibolya irányban, és megközelítőleg hasonló egy fekete test sugárzási spektrumához , amelynek hőmérséklete százezer kelvin nagyságrendű .

A spektrum volt az, amely a jelenség magyarázatára tett kísérletek fő buktatójává vált. Ha a szonolumineszcens fény termikus eredetű, akkor el kell magyarázni, hogy az ultrahang hogyan melegíti fel a vizet ilyen hőmérsékletre. Ha a magas hőmérsékletnek semmi köze ehhez, akkor általában mi a fény eredete?

Egy- és többbuborékos szonolumineszcencia

Az 1990-es években felfedezték a többbuborékos szonolumineszcencia jelenségét . Akkor fordul elő, ha a kavitáció feltételeit nem egy ponton, hanem meglehetősen nagy területen, egy centiméteres vagy annál nagyobb területen teremtik meg. Ebben az esetben folyamatosan sok különálló buborék születik és omlik össze, amelyek kölcsönhatásba lépnek, egyesülnek, ütköznek egymással. Ezzel a móddal ellentétben a fent leírt központi buborék módot egybuborékos szonolumineszcenciának nevezték el .

A többbuborékos szonolumineszcenciával a fény halványabb, és teljesen más spektrummal rendelkezik. Ugyanis az egyes emissziós vonalak egyértelműen nyomon követhetők, sőt dominálnak a spektrumban; például jól látható a gerjesztett semleges OH* gyök emissziós vonala 310 nm-en. Ezen túlmenően, ha valamilyen anyagot vízben oldunk, akkor azok emissziós vonalai is megjelennek a spektrumban [1] . Mindez cáfolhatatlanul azt bizonyítja, hogy a többbuborékos szonolumineszcenciában fellépő izzás termikus eredetű. Az adott körülményektől függően a világító tartomány hőmérséklete többbuborékos szonolumineszcencia során 2000-5000 Kelvin volt [2] .

Az egy- és többbuborékos szonolumineszcencia spektruma közötti éles különbség vezetett oda, hogy kialakult az a nézőpont, hogy teljesen más jelenségekről beszélünk. A 2000-es évek elején azonban megjelentek olyan cikkek, amelyekben zökkenőmentes átmenetet találtak e két szonolumineszcencia rendszer között [3] . Ezen munkák után világossá vált, hogy az egybuborékos szonolumineszcenciának is van termikus természete, és titokzatos spektrumát egy gömbszimmetrikus buborék összeomlása során fellépő túl magas hőmérséklet és nyomás magyarázza, így az egyes gerjesztett gyökök ütközésszerűen távolítják el a gerjesztést. és nincs idejük egy fotont kiemelni [4] .

Elméleti modell

Tehát, ha a fény természete termikus, akkor meg kell magyarázni, hogyan érhető el ilyen magas hőmérséklet.

Jelenleg úgy gondolják, hogy a vízmelegítés a következőképpen történik.

• A kavitációs buborék gyors összenyomásával a vízgőz az adiabatikus kompresszióhoz közeli folyamatot tapasztal. Ugyanakkor, mivel a buborék sugara tízszeresére csökkenhet, a vízgőz nagyságrendekkel, azaz akár több ezer kelvinnel is felmelegíthető.
• Ismeretes, hogy egy adiabatikus folyamatban a fűtési hatékonyságot az adiabatikus index határozza meg, ami viszont erősen függ attól, hogy melyik gázt vizsgáljuk. A fűtés a leghatékonyabb egyatomos gázok esetén, így a vízben lévő inert gázok kis szennyeződései is jelentősen befolyásolhatják a fűtési hatékonyságot.
• A szonolumineszcencia fényerejének a vízhőmérséklettől való függését a vízgőz és az inert gázok egyensúlya határozza meg a buborékon belül. A víz hőmérsékletének csökkenésével az inert gázok gőzeinek illékonysága szinte nem változik, míg a telített vízgőzök nyomása meredeken csökken. Ez jobb gőzfűtéshez vezet a buborék-kompresszió során.
• Nyilvánvaló, hogy a kezdeti buborék nem egészen szabályos gömb alakú. Az összeomlás során ezek a szimmetria-torzulások megnövekednek, és ennek következtében nem lehet az összes kezdeti energiát egy pontba fókuszálni. Ha az egybuborékos kavitációval, amikor a kezdeti torzulások kicsik, a buborék sugara egy nagyságrenddel vagy annál nagyobb mértékben csökkenthető, akkor több buborékos szonolumineszcenciánál a kezdeti torzítások nem teszik lehetővé a buborék erős összenyomását, ami befolyásolja a végső hőmérsékletet.
• Egybuborékos szonolumineszcencia esetén a kavitációs buborék összeomlásának utolsó szakaszában a buborékfalak akár 1-1,5 km/s sebességet is fejlesztenek, ami 3-4-szerese a gázelegyben lévő hangsebességnek . a buborék belsejében. Ennek eredményeként a tömörítés során egy gömb alakú összetartó lökéshullám keletkezik , amely a középpontról visszaverődően ismét áthalad az anyagon. Ismeretes, hogy a lökéshullám hatékonyan melegíti fel a közeget: a lökéshullám elején áthaladva az anyag M²-szeresére melegszik fel, ahol M a Mach-szám . Ez nyilvánvalóan a hőmérséklet egy másik nagyságrenddel történő növekedéséhez vezet, és lehetővé teszi a több százezer kelvin elérését.

Schwinger modell

A szonolumineszcencia-effektus Schwinger -féle szokatlan magyarázata [5] a buborékban lévő elektromágneses tér vákuumállapotában bekövetkezett változások figyelembevételén alapul a buborék alakjának gyors megváltoztatása során. közel ahhoz, amit általában a Casimir-effektus leírásánál használnak , amikor az elektromágneses tér vákuumállapotát lapos kondenzátorban vesszük figyelembe, a lemezek által meghatározott peremfeltételektől függően. (Lásd még az Unruh-effektust ). Ezt a megközelítést Claudia Eberlein [6] [7] munkájában dolgozta ki részletesebben .

Ha ez igaz, akkor a szonolumineszcencia az első olyan példa, amelyben a vákuumállapot változásával összefüggő sugárzást közvetlenül kísérletileg figyelik meg.

Érvek születtek amellett, hogy a szonolumineszcenciát túl sok energia túl rövid idő alatti átalakulásához kötik ahhoz, hogy összhangban legyen a fenti magyarázattal [8] . Más hiteles források azonban azt állítják, hogy a vákuumenergia magyarázata továbbra is helytálló [9] .

A szonolumineszcencia alkalmazásai

A folyadékok ilyen körülmények közötti viselkedésének megértéséhez kapcsolódó tisztán tudományos érdeklődésen túlmenően a szonolumineszcenciával kapcsolatos kutatásoknak is lehetnek alkalmazott alkalmazásai. Soroljunk fel néhányat közülük.

• Szubminiatűr Kémiai Laboratórium . A vízben oldott reagensek jelen lesznek a plazmában a szonolumineszcens villanás során. A kísérlet paramétereinek változtatásával lehetőség nyílik a reagensek koncentrációjának, valamint a hőmérséklet és nyomás szabályozására ebben a gömb alakú "mikrocsőben". Ennek a módszernek a hiányosságai közé tartozik
  • A víz átlátszósága meglehetősen korlátozott, ami megnehezíti a reakció megfigyelését
  • képtelenség megszabadulni a vízmolekulák és elemeik jelenlététől, különösen a hidroxil-ionoktól.
• A technika előnyei a következők
  • a reakcióelegy magas hőmérsékletének létrehozásának egyszerűsége.
  • ultrarövid idejű kísérletek elvégzésének képessége pikoszekundumos skálán .

• Termonukleáris reakció elindításának képessége . Egyes kísérleti csoportok ( Ruzi Taleiarkhan ) azt állítják, hogy képesek voltak több millió kelvin nagyságrendű hőmérsékletet elérni egy szonolumineszcens villanással, miközben megfigyelték a termonukleáris reakció termékeit . E kísérletek eredményeinek megerősítése lehetővé tenné egy kompakt termonukleáris reaktor előállítását . A helyzet azonban továbbra is ellentmondásos, és további kutatásokat igényel.

Lásd még

• Lumineszcencia
• Fluoreszcencia
• Foszforeszcencia
• biolumineszcencia
• Kemilumineszcencia
• ultrahangos kavitáció

Jegyzetek

1. ↑ TJ Matula, RA Roy, PD Mourad, WB McNamara, KS Suslick. Többbuborékos és egybuborékos szonolumineszcencia spektrumok összehasonlítása   // Phys . Fordulat. Lett. . - 1995. szeptember 25. - 1. évf. 75, sz. 13 . - P. 2602-2605. — ISSN 0031-9007 .
2. ↑ WB McNamara, YT Didenko, KS Suslick. Szonolumineszcenciás hőmérsékletek több buborékos kavitáció során  (angol)  // Nature . - 1999. október 21. - Nem. 401 . - P. 772-775. — ISSN 0028-0836 . Az eredetiből archiválva: 2010. május 15.
3. ↑ O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, G. A. Williams. Lumineszcencia spektruma vízben lézerrel létrehozott buborékokból   // Phys . Fordulat. Lett. . - 2001. május 21. - 2001. évf. 86, sz. 21 . - P. 4934-4937. — ISSN 0031-9007 .
4. ↑ K. Yasui. Egybuborékos és többbuborékos szonolumineszcencia   // Phys . Fordulat. Lett. . - 1999. november 22. - 1. évf. 83. sz. 21 . - P. 4297-4300. — ISSN 0031-9007 .
5. ↑ Julian Schwinger . Cold fusion theory: A short history of mine  (angol)  // Infinite Energy . - 1995. március-április. 1, sz. 1 . - P. 10-14. — ISSN 1081-6372 . Archiválva az eredetiből: 2008. szeptember 25.
6. ↑ Claudia Eberlein. A szonolumineszcencia mint kvantumvákuumsugárzás   // Phys . Fordulat. Lett. . - 1996. május 3. - 1. évf. 76. sz. 20 . - P. 3842-3845. — ISSN 0031-9007 .
7. ↑ Claudia Eberlein. A szonolumineszcenciaként megfigyelt kvantumsugárzás elmélete   // Phys . Fordulat. A. _ - 1996. április. 53. sz. 4 . - P. 2772-2787. — ISSN 1050-2947 . (Lásd még: arXiv.org archiválva 2022. június 21-én a Wayback Machine -nél )
8. ↑ Kimball A. Milton. A Kázmér-effektus dimenziós és dinamikai vonatkozásai: A vákuumenergia valóságának és jelentőségének megértése  (angolul)  : nyomtatás előtt. — arXiv.org , 2000. szeptember 21.
9. ↑ S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser. Megjegyzés: "A Kázmér-effektus dimenziós és dinamikai vonatkozásai: a vákuumenergia valóságának és jelentőségének megértése  " . — arXiv.org , 2000. október 17. Az eredetiből archiválva : 2022. január 29.

Irodalom

• BP Barber és munkatársai, Phys. Rep. 281, 65 (1997)
• Brenner képviselő, S. Hilgenfeldt és D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002)  (a hivatkozás nem elérhető)
• Margulis M. A. UFN, 2000, 3. szám, 263-287.
• K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Applied Spectroscopy Review, 39(3), 399-436 (2004) .

Linkek

• Szonolumineszcencia: rejtvények, ötletek, magyarázatok
• A terminológia kritikája
• Ezer fokos hőmérsékletű hang
•  A sáska garnélarák (csattanó) hanggal öl