Войти
Однопузырьковая сонолюминесценция - одиночный кавитирующий пузырь. Сонолюминесценция - это излучение коротких вспышек света от взрыв пузырьков в жидкости при возбуждении звуком.
Эффект сонолюминесценции был впервые обнаружен в Кельнский университет в 1934 году в результате работы над гидролокатором. Х. Френцель и Х. Шультес поместили ультразвуковой датчик в резервуар с фотографической проявочной жидкостью. Они надеялись ускорить процесс разработки. Вместо этого они заметили крошечные точки на пленке после проявления и поняли, что пузырьки в жидкости излучают свет при включенном ультразвуке. Анализировать эффект в ранних экспериментах было слишком сложно из-за сложной среды, состоящей из большого количества короткоживущих пузырьков. Это явление теперь называют многопузырьковой сонолюминесценцией (МБСЛ).
В 1960 году Питер Джарман из Имперского колледжа Лондона предложил наиболее надежную теорию явления сонолюминесценции. Он пришел к выводу, что сонолюминесценция имеет в основном тепловое происхождение и что она, возможно, может возникать из-за микрошоков со схлопывающимися полостями.
В 1989 году был представлен экспериментальный прогресс, который произвел стабильную однопузырьковая сонолюминесценция (SBSL). При однопузырьковой сонолюминесценции одиночный пузырек, захваченный акустической стоячей волной, излучает импульс света при каждом сжатии пузыря в пределах стоячей волны. Этот метод позволил более систематически изучить явление, поскольку он изолировал сложные эффекты в один стабильный предсказуемый пузырь. Было установлено, что температура внутри пузырька достаточно высока для плавления стали, как это было видно в эксперименте, проведенном в 2012 году; температура внутри пузыря при его схлопывании достигала примерно 12000 кельвинов. Интерес к сонолюминесценции возобновился, когда была постулирована внутренняя температура такого пузырька значительно выше одного миллиона кельвинов. Эта температура до сих пор окончательно не доказана; скорее, недавние эксперименты показывают температуру около 20 000 К (19 700 ° C; 35 500 ° F).
Изображение многопузырьковой сонолюминесценции с длительной выдержкой, созданное высокоинтенсивным ультразвуком рог, погруженный в стакан с жидкостью Сонолюминесценция может возникать, когда звуковая волна достаточной интенсивности заставляет газовую полость внутри жидкости быстро схлопываться. Эта полость может иметь форму уже существующего пузыря или может быть образована в результате процесса, известного как кавитация. Сонолюминесценцию в лаборатории можно сделать стабильной, так что одиночный пузырь будет периодически расширяться и схлопываться снова и снова, излучая вспышку света каждый раз, когда он схлопывается. Для этого в жидкости создается стоячая акустическая волна, и пузырек будет находиться в противоузле давления стоячей волны. Частоты из резонанса зависят от формы и размера контейнера, в котором содержится пузырек.
Некоторые факты о сонолюминесценции:
Спектральные измерения дали температуру пузырьков в диапазоне от 2300 K до 5100 K, точные температуры зависят от условий эксперимента, включая состав жидкости и газа. Обнаружение очень высоких температур пузырьков спектральными методами ограничено из-за непрозрачности жидкостей для коротковолнового света, характерного для очень высоких температур.
В исследовании описан метод определения температуры, основанный на образовании плазмы. Используя пузырьки аргона в серной кислоте, данные показывают присутствие ионизированного молекулярного кислорода O 2, монооксида серы и атомарного аргона, населяющего высокоэнергетические возбужденные состояния, что подтверждает гипотезу о том, что пузырьки имеют ядро горячей плазмы. Наблюдаемые ими ионизация и энергия возбуждения катионов диоксигенил составляет 18 электронвольт. Из этого они делают вывод, что внутренние температуры достигают по крайней мере 20 000 кельвинов - горячее, чем поверхность солнца.
. Динамика движения пузыря в первом приближении характеризуется Уравнение Рэлея – Плессета (названо в честь лорда Рэлея и Милтона Плессета ):
Это приближенное уравнение, выведенное из уравнений Навье – Стокса (записанных в сферической системе координат ) и описывающее движение радиус пузыря R как функция времени t. Здесь μ - вязкость, p - давление, а γ - поверхностное натяжение. Над точками обозначены производные по времени. Было показано, что это уравнение, хотя и приближенное, дает хорошие оценки движения пузыря под акустически управляемым полем, за исключением заключительных стадий схлопывания. Как моделирование, так и экспериментальные измерения показывают, что во время критических заключительных стадий схлопывания скорость стенки пузырька превышает скорость звука газа внутри пузырька. Таким образом, помимо Рэлея-Плессета, необходим более подробный анализ движения пузыря, чтобы исследовать дополнительную фокусировку энергии, которую может произвести внутренне сформированная ударная волна.
Механизм явления сонолюминесценции неизвестен. Гипотезы включают: горячую точку, тормозное излучение, излучение, индуцированное столкновениями и коронный разряд, неклассический свет, туннелирование протонов, электродинамические струи и фрактолюминесцентные струи (теперь в значительной степени дискредитированы из-за противоположных экспериментальных данных).
Слева направо: появление пузыря, медленное расширение, быстрое и внезапное сжатие, излучение света В 2002 г. М. Бреннер, С. Хильгенфельдт и Д. Лозе опубликовали 60-страничный обзор, содержащий подробное объяснение механизма. Важным фактором является то, что пузырек содержит в основном инертный благородный газ, такой как аргон или ксенон (воздух содержит около 1% аргона, и его количество, растворенное в воде, слишком велико; для возникновения сонолюминесценции концентрация должна быть снижена до 20-40%. его равновесного значения) и различных количеств водяного пара. Химические реакции вызывают удаление азота и кислорода из пузырька после примерно сотни циклов расширения-схлопывания. После этого пузырек начнет излучать свет. Световое излучение сильно сжатого благородного газа технологически используется в устройствах вспышки аргона.
Во время схлопывания пузырька инерция окружающей воды вызывает высокое давление и высокую температуру, достигающую около 10 000 кельвинов внутри пузырька, вызывая ионизацию небольшой части присутствующего благородного газа. Ионизированное количество достаточно мало, чтобы пузырек оставался прозрачным, позволяя объемное излучение; поверхностное излучение будет производить более интенсивный свет большей продолжительности в зависимости от длины волны , что противоречит экспериментальным результатам. Электроны ионизированных атомов взаимодействуют в основном с нейтральными атомами, вызывая тепловое тормозное излучение. Когда волна достигает низкоэнергетической впадины, давление падает, позволяя электронам рекомбинировать с атомами, и излучение света прекращается из-за отсутствия свободных электронов. Это дает 160-пикосекундный световой импульс для аргона (даже небольшое падение температуры вызывает большое падение ионизации из-за большой энергии ионизации по сравнению с энергией фотонов). Это описание упрощено из приведенной выше литературы, в которой подробно описаны различные этапы разной продолжительности от 15 микросекунд (расширение) до 100 пикосекунд (излучение).
Расчеты, основанные на теории, представленной в обзоре, дают параметры излучения (интенсивность и продолжительность, время в зависимости от длины волны), которые соответствуют экспериментальным результатам с ошибками, не превышающими ожидаемых, из-за некоторых упрощений (например, предполагая однородную температуру во всем пузырь), поэтому кажется, что явление сонолюминесценции, по крайней мере, примерно объяснено, хотя некоторые детали этого процесса остаются неясными.
Любое обсуждение сонолюминесценции должно включать подробный анализ метастабильности. Сонолюминесценция в этом отношении является тем, что физически называется ограниченным явлением, означающим, что сонолюминесценция существует в ограниченной области пространства параметров пузыря; связанное магнитное поле является одним из таких параметров. Магнитные аспекты сонолюминесценции очень хорошо задокументированы.
Необычайно экзотической гипотезой сонолюминесценции, которая привлекла большое внимание общественности, является энергия Казимира. гипотеза, предложенная известным физиком Джулианом Швингером и более подробно рассмотренная в статье Университета Сассекса. В статье Эберлейна предполагается, что свет в сонолюминесценции генерируется вакуумом внутри пузыря в процессе, аналогичном излучению Хокинга, излучению, генерируемому на горизонте событий из черных дыр. Согласно этому объяснению энергии вакуума, поскольку квантовая теория утверждает, что вакуум содержит виртуальные частицы, быстро движущаяся граница раздела между водой и газом преобразует виртуальные фотоны в реальные фотоны. Это связано с эффектом Унру или эффектом Казимира. Был выдвинут аргумент, что сонолюминесценция высвобождает слишком большое количество энергии и высвобождает энергию в слишком коротком временном масштабе, чтобы соответствовать объяснению энергии вакуума, хотя другие достоверные источники утверждают, что объяснение энергии вакуума может оказаться верным. 37>
Некоторые утверждали, что описанное выше уравнение Рэлея – Плессета ненадежно для предсказания температуры пузырьков и что фактические температуры в сонолюминесцентных системах могут быть намного выше 20 000 кельвинов. Некоторые исследования утверждают, что измеренные температуры достигают 100 000 кельвинов, и предполагают, что температура может достигать миллионов кельвинов. Такая высокая температура может вызвать термоядерный синтез. Эту возможность иногда называют термоядерным синтезом и сравнивают с конструкцией имплозии, использованной в термоядерном компоненте термоядерного оружия.
27 января 2006 г. исследователи из Политехнического института Ренсселера утверждал, что произвел синтез в экспериментах по сонолюминесценции.
Эксперименты в 2002 и 2005 годах, проведенные Р. П. Талеярхан с использованием дейтерированного ацетона показал измерения трития и нейтронного выхода, согласующиеся с синтезом. Тем не менее, статьи были сочтены некачественными, и в отчете возникли сомнения в неправомерном научном поведении автора. Это привело к тому, что отчет потерял доверие научного сообщества.
Пистолетная креветка (также называемая щелкающей креветкой) производит своего рода кавитационное свечение от схлопывающегося пузыря, вызванное быстрым щелчком его когтя. Животное закрывается специальной клешней, чтобы создать кавитационный пузырь, который создает акустическое давление до 80 кПа на расстоянии 4 см от когтя. Когда он выходит из когтя, пузырь достигает скорости 60 миль в час (97 км / ч) и издает звук, достигающий 218 децибел. Давление достаточно сильное, чтобы убить небольшую рыбу. Излучаемый свет имеет меньшую интенсивность, чем свет, производимый типичной сонолюминесценцией, и не виден невооруженным глазом. Производимые свет и тепло могут не иметь прямого значения, поскольку это ударная волна, производимая быстро схлопывающимся пузырем, которую эти креветки используют для оглушения или убийства добычи. Однако это первый известный случай, когда животное, излучающее свет благодаря этому эффекту, было причудливо названо «свечение креветок» после его открытия в 2001 году. Впоследствии было обнаружено, что другая группа ракообразных, креветка-богомол, содержит виды, чьи булавовидные передние конечности могут наносить удары так быстро и с такой силой, что при ударе возникают сонолюминесцентные кавитационные пузыри. Сообщалось также, что механическое устройство с напечатанным на 3D-принтере когтем люциана, в пять раз превышающим фактический размер, излучает свет аналогичным образом, этот биоиндуцированный дизайн был основан на линьке клешни щелкающего креветки, сброшенной с линьки Alpheus formosus, полосатой щелкающей креветки.
 | Искать сонолюминесценция в Викисловаре, бесплатный словарь. |
 | Викискладе есть материалы, связанные с сонолюминесценцией. |
