Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Однопузырьковая сонолюминесценция - одиночный кавитирующий пузырь.

Сонолюминесценция - это излучение коротких вспышек света от взрывающихся пузырьков в жидкости при возбуждении звуком.

История [ править ]

Эффект сонолюминесценции был впервые обнаружен в Кельнском университете в 1934 году в результате работы над сонаром . [1] Х. Френцель и Х. Шультес поместили ультразвуковой преобразователь в резервуар с жидкостью для проявителя фотографий . 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. [2] Было слишком сложно проанализировать эффект в ранних экспериментах из-за сложной среды 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 в основном имеет тепловое происхождение и может возникнуть в результате микрошоковых ударов с разрушающимися полостями. [3]

В 1989 году был представлен экспериментальный прогресс, который произвел стабильную однопузырьковую сонолюминесценцию (SBSL). [ необходима цитата ] В сонолюминесценции с одним пузырем, одиночный пузырек, пойманный в акустическую стоячую волну, излучает импульс света при каждом сжатии пузыря внутри стоячей волны . Этот метод позволил более систематически изучить явление, поскольку он изолировал сложные эффекты в один стабильный, предсказуемый пузырь. Было обнаружено, что температура внутри пузыря была достаточно высокой, чтобы плавить сталь , как это было видно в эксперименте, проведенном в 2012 году; температура внутри пузыря, когда он схлопывалась, достигла примерно 12 000 кельвинов . [4]Интерес к сонолюминесценции возобновился, когда была постулирована внутренняя температура такого пузырька намного выше одного миллиона кельвинов . [5] Эта температура пока окончательно не доказана; скорее, недавние эксперименты показывают температуру около 20 000 К (19 700 ° C; 35 500 ° F). [6]

Свойства [ править ]

Изображение многопузырьковой сонолюминесценции с длительной выдержкой, созданное ультразвуковым рожком высокой интенсивности, погруженным в стакан с жидкостью.

Сонолюминесценция может возникать, когда звуковая волна достаточной интенсивности вызывает быстрое схлопывание газовой полости внутри жидкости. 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 пузырек будет расширяться и схлопываться снова и снова периодически, испуская вспышку света каждый раз, когда он схлопывается. Для этого в жидкости создается стоячая акустическая волна, и пузырек будет располагаться в противоузле давления стоячей волны. Эти частоты от резонанса зависит от формы и размера контейнера , в котором пузырек содержится.

Некоторые факты о сонолюминесценции: [ необходима цитата ]

  • Свет, который вспыхивает от пузырьков, длится от 35 до нескольких сотен пикосекунд с максимальной интенсивностью порядка 1–10  мВт .
  • Пузырьки очень маленькие, когда они излучают свет - около 1 микрометра в диаметре - в зависимости от окружающей жидкости (например, воды) и содержания газа в пузырьке (например, атмосферного воздуха ).
  • Однопузырьковые импульсы сонолюминесценции могут иметь очень стабильные периоды и положения. Фактически, частота световых вспышек может быть более стабильной, чем номинальная стабильность частоты генератора, создающего звуковые волны, управляющие ими. Однако анализ устойчивости пузыря показывает, что сам пузырек испытывает значительные геометрические нестабильности, например, из-за сил Бьеркнеса и неустойчивостей Рэлея – Тейлора .
  • Добавление небольшого количества благородного газа (например, гелия , аргона или ксенона ) к газу в пузырьке увеличивает интенсивность излучаемого света.

Спектральные измерения дали температуру пузырьков в диапазоне от 2300 К , чтобы5100 K , точная температура зависит от условий эксперимента, включая состав жидкости и газа. [7] 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, населяющих высокоэнергетические возбужденные состояния, что подтверждает гипотезу о том, что пузырьки имеют ядро ​​горячей плазмы. [8] ионизации и возбуждения энергия dioxygenyl катионов , которые они наблюдали, 18 электронвольт . Из этого они делают вывод, что внутренние температуры достигают по крайней мере 20 000 кельвинов [6], что выше, чем температура поверхности Солнца..

Уравнение Рэлея – Плессета [ править ]

Основная статья: уравнение Рэлея – Плессета

Динамика движения пузыря в первом приближении описывается уравнением Рэлея – Плессета (названного в честь лорда Рэлея и Милтона Плессета ):

Это приближенное уравнение, которое выводится из уравнений Навье – Стокса (записанных в сферической системе координат ) и описывает движение радиуса пузырька R как функцию времени t . Здесь μ - вязкость , p - давление , γ - поверхностное натяжение . Над точками обозначены производные по времени. Было показано, что это уравнение, хотя и является приближенным, дает хорошие оценки движения пузырька под акустическим воздействием.ведомое поле, за исключением заключительных стадий обрушения. Как моделирование, так и экспериментальные измерения показывают, что во время критических заключительных стадий схлопывания скорость стенки пузырька превышает скорость звука газа внутри пузырька. [9] 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 [ править ]

Основная статья: Механизм сонолюминесценции

Механизм явления сонолюминесценции неизвестен. Гипотезы включают в себя горячую точку, тормозное излучение , излучение , вызванное столкновениями, и коронный разряд , неклассический свет , туннелирование протонов , электродинамические струи и фрактолюминесцентные струи (в настоящее время в значительной степени опровергнутые из-за противоположных экспериментальных данных). [ необходима цитата ]

Слева направо: появление пузыря, медленное расширение, быстрое и внезапное сжатие, излучение света

В 2002 г. М. Бреннер, С. Хильгенфельд и Д. Лозе опубликовали 60-страничный обзор, содержащий подробное объяснение механизма. [10] 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 концентрацию необходимо снизить до 20%. –40% от его равновесного значения) и различные количества водяного пара . Химические реакции приводят к удалению азота и кислорода из пузырька примерно после сотни циклов расширения-схлопывания. После этого пузырек начнет излучать свет. [11] Световое излучение сильно сжатого благородного газа технологически используется варгоновые флеш- аппараты.

Во время схлопывания пузырька инерция окружающей воды вызывает высокое давление и высокую температуру, достигая около 10 000 кельвинов внутри пузырька, вызывая ионизацию небольшой части присутствующего благородного газа. Ионизированное количество достаточно мало, чтобы пузырек оставался прозрачным, обеспечивая объемную эмиссию; поверхностное излучение будет производить более интенсивный свет с большей продолжительностью в зависимости от длины волны , что противоречит экспериментальным результатам. Электроны от ионизированных атомов взаимодействуют в основном с нейтральными атомами, вызывая тепловое тормозное излучение. Когда волна попадает в низкоэнергетический желоб, давление падает, позволяя электронам рекомбинировать.с атомами и прекращением излучения света 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 различной 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 [ необходима цитата ] с ошибками, не превышающими ожидаемых, из-за некоторых упрощений (например, предполагая однородную температуру во всем пузыре) , 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 - это то, 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. [12]

Другие предложения [ править ]

Квантовые объяснения [ править ]

Необычайно экзотической гипотезой сонолюминесценции, которая привлекла большое внимание общественности, является энергетическая гипотеза Казимира, предложенная известным физиком Джулианом Швингером [13] и более подробно рассмотренная в статье Клаудии Эберлейн [14] из Университета Сассекса . Бумага Эберлейн предполагает , что свет в звуколюминисценции генерируется вакуумом внутри пузырька в процессе , подобном хокинговское излучение , генерируемое излучение 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 превращает 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 [15], хотя другие достоверные источники утверждают, что объяснение энергии вакуума может оказаться верным. верный. [16]

Ядерные реакции [ править ]

Основная статья: Bubble Fusion

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. [17] Такие высокие температуры могут вызвать термоядерный синтез . Эту возможность иногда называют пузырьковым синтезом и сравнивают со схемой имплозии, используемой в термоядерном компоненте термоядерного оружия .

27 января 2006 года исследователи из Политехнического института Ренсселера заявили, что в экспериментах по сонолюминесценции производили синтез. [18] [19]

Эксперименты, проведенные Р.П. Талеярханом в 2002 и 2005 годах с использованием дейтерированного ацетона, показали измерения выхода трития и нейтронов, согласующиеся с термоядерным синтезом. Тем не менее, статьи были сочтены некачественными, и в отчете возникли сомнения в неправомерном научном поведении автора. Это привело к потере доверия к докладу в научном сообществе. [20] [21] [22]

Биологическая сонолюминесценция [ править ]

Пистолетная креветка (также называемая щелкающей креветкой) создают своего рода кавитационное свечение от схлопывающегося пузыря, вызванное быстрым щелчком его клешней. Животное закрывает специальную клешню, 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, создаваемая быстро схлопывающимся пузырем, которую эти креветки используют для оглушения или убийства добычи. Тем не мение,Это первый известный случай, когда животное излучает свет с помощью этого эффекта, и после открытия в 2001 году его причудливо окрестили «люминесценцией креветок».[23] Впоследствии было обнаружено, что другая группа ракообразных, креветки-богомолы , содержат виды, чьи булавовидные передние конечности могут наносить удары так быстро и с такой силой, что при ударе вызывают сонолюминесцентные кавитационные пузыри. [24] Механическое устройство с напечатанным на 3D-принтере когтем люциана в пять раз больше фактического размера, как сообщается, также излучает свет аналогичным образом [25], этот биоиндуцированный дизайн был основан на линьке клешни щелкающего креветки, сброшенной с линьки Alpheus formosus, полосатая креветка. [26]

См. Также [ править ]

  • Список источников света
  • Триболюминесценция
  • Сонохимия
  • Акустическая волна

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Farley J, Hough S (2003). "Однопузырьковая сонолюминесценция". Тезисы заседаний Северо-западной секции APS : D1.007. Bibcode : 2003APS..NWS.D1007F .
  2. ^ Х. Френцель и Х. Шультес, Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser Zeitschrift für Physikalische Chemie Международный журнал исследований в области физической химии и химической физики, опубликованный в Интернете: 12 января 2017 г. | DOI: https://doi.org/10.1515/zpch-1934-0137
  3. ^ Джарман, Питер (1960-11-01). «Сонолюминесценция: дискуссия». Журнал акустического общества Америки . 32 (11): 1459–1462. Bibcode : 1960ASAJ ... 32.1459J . DOI : 10.1121 / 1.1907940 . ISSN 0001-4966 . 
  4. ^ Ндиай А.А., Пфлигер R, Siboulet В, Молина Дж, Dufrêche И. Ф., Никитенко С. И. (май 2012). «Неравновесное колебательное возбуждение радикалов ОН, образующихся при многопузырьковой кавитации в воде». Журнал физической химии . 116 (20): 4860–7. Bibcode : 2012JPCA..116.4860N . DOI : 10.1021 / jp301989b . PMID 22559729 . 
  5. ^ Мосс, Уильям С .; Кларк, Дуглас Б.; Уайт, Джон В .; Янг, Дэвид А. (сентябрь 1994 г.). «Гидродинамическое моделирование схлопывания пузырьков и пикосекундной сонолюминесценции». Физика жидкостей . 6 (9): 2979–2985. Bibcode : 1994PhFl .... 6.2979M . DOI : 10.1063 / 1.868124 . ISSN 1070-6631 . 
  6. ^ a b «Температура внутри схлопывающегося пузыря в четыре раза выше, чем на Солнце | Архивы | Информационное бюро | Университет Иллинойса» . News.illinois.edu. 2005-02-03 . Проверено 14 ноября 2012 .
  7. ^ Диденко Ю.Т., Макнамара WB, Suslick KS (январь 2000). «Влияние благородных газов на температуры сонолюминесценции при многопузырьковой кавитации». Письма с физическим обзором . 84 (4): 777–80. Bibcode : 2000PhRvL..84..777D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.777 . PMID 11017370 . 
  8. ^ Фланниган DJ, Suslick KS (март 2005). «Плазмообразование и измерение температуры при однопузырьковой кавитации» . Природа . 434 (7029): 52–5. Bibcode : 2005Natur.434 ... 52F . DOI : 10,1038 / природа03361 . PMID 15744295 . S2CID 4318225 .  
  9. ↑ Barber BP, Putterman SJ (декабрь 1992 г.). "Измерения светорассеяния повторяющегося сверхзвукового взрыва сонолюминесцентного пузыря". Письма с физическим обзором . 69 (26): 3839–3842. Bibcode : 1992PhRvL..69.3839B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.69.3839 . PMID 10046927 . 
  10. ^ Brenner MP, Hilgenfeldt S, D Лозе (май 2002). «Однопузырьковая сонолюминесценция» . Обзоры современной физики . 74 (2): 425–484. Bibcode : 2002RvMP ... 74..425B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.74.425 .
  11. ^ Matula TJ, Крам Л.А. (январь 1998). «Свидетельства газообмена в однопузырьковой сонолюминесценции». Письма с физическим обзором . 80 (4): 865–868. Bibcode : 1998PhRvL..80..865M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.80.865 .
  12. ^ Young JB, Schmiedel T, W Кан (декабрь 1996). «Сонолюминесценция в сильных магнитных полях». Письма с физическим обзором . 77 (23): 4816–4819. Bibcode : 1996PhRvL..77.4816Y . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.77.4816 . PMID 10062638 . 
  13. ^ Швингер J (1989-03-23). «Холодный синтез: моя история» . Infinite-energy.com . Проверено 14 ноября 2012 .
  14. ^ Эберлейн С (апрель 1996). «Теория квантового излучения, наблюдаемого как сонолюминесценция» (PDF) . Physical Review . 53 (4): 2772–2787. arXiv : квант-ph / 9506024 . Bibcode : 1996PhRvA..53.2772E . DOI : 10.1103 / PhysRevA.53.2772 . PMID 9913192 . S2CID 10902274 .   
  15. Перейти ↑ Milton KA (сентябрь 2000 г.). «Размерные и динамические аспекты эффекта Казимира: понимание реальности и значения энергии вакуума». п. препринт hep-th / 0009173. arXiv : hep-th / 0009173 .
  16. ^ Liberati S, Бельджорен F, Виссер M (2000). «Комментарий к теме« Размерные и динамические аспекты эффекта Казимира: понимание реальности и значения энергии вакуума » ». п. hep-th / 0010140v1. arXiv : hep-th / 0010140 .
  17. ↑ Chen W, Huang W., Liang Y, Gao X, Cui W. (сентябрь 2008 г.). «Спектры однопузырьковой сонолюминесценции в серной кислоте с временным разрешением с помощью стрик-камеры». Physical Review E . 78 (3 Pt 2): 035301. Полномочный код : 2008PhRvE..78c5301C . DOI : 10.1103 / PhysRevE.78.035301 . PMID 18851095 . Краткое содержание - Природа Китая . 
  18. ^ «RPI: Новости и события - Новый эксперимент Sonofusion дает результаты без внешнего источника нейтронов» . News.rpi.edu. 2006-01-27 . Проверено 14 ноября 2012 .
  19. ^ "Использование звуковых волн, чтобы вызвать ядерный синтез без внешнего источника нейтронов" . Sciencedaily.com. 2006-01-31 . Проверено 14 ноября 2012 .
  20. ^ Purdue физик признан виновным в совершении проступка , Los Angeles Times, 19 июля 2008, Thomas H. Maugh II
  21. ^ Джаяраман KS (2008). «Первооткрыватель термоядерного синтеза говорит, что его наука подтверждена». Природа Индии . DOI : 10.1038 / nindia.2008.271 .
  22. ^ "Purdue делает выговор ученому по синтезу за проступки" . USA Today . Ассошиэйтед Пресс. 27 августа 2008 . Проверено 28 декабря 2010 .
  23. Перейти ↑ Lohse D, Schmitz B, Versluis M (октябрь 2001 г.). «Щелкающие креветки делают мигающие пузыри». Природа . 413 (6855): 477–8. Bibcode : 2001Natur.413..477L . DOI : 10.1038 / 35097152 . PMID 11586346 . S2CID 4429684 .  
  24. Перейти ↑ Patek SN, Caldwell RL (октябрь 2005 г.). «Экстремальные ударные и кавитационные силы биологического молота: ударные силы павлиньего богомола Odontodactylus scyllarus» . Журнал экспериментальной биологии . 208 (Pt 19): 3655–64. DOI : 10,1242 / jeb.01831 . PMID 16169943 . 
  25. ^ Коновер E (15 марта 2019). «Некоторые креветки производят плазму своими когтями. Теперь коготь с трехмерной печатью тоже может» . ScienceNews .
  26. ^ Тан X, Staack D (март 2019). «Биоинспирированное механическое устройство генерирует плазму в воде посредством кавитации» . Наука продвигается . 5 (3): eaau7765. Bibcode : 2019SciA .... 5.7765T . DOI : 10.1126 / sciadv.aau7765 . PMC 6420313 . PMID 30899783 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Frenzel H, Schultes H (октябрь 1934 г.). "Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser" [Люминесценция в сверхгорячей воде]. Zeitschrift für Physikalische Chemie (на немецком языке). 27 (1): 421–4. DOI : 10.1515 / ZPCH-1934-0137 . S2CID  100000845 .
  • Гайтан Д.Ф., Крам Л.А., Церковный СС, Рой Р.А. (июнь 1992 г.). «Сонолюминесценция и динамика пузырьков для одиночного стабильного кавитационного пузырька» . Журнал акустического общества Америки . 91 (6): 3166–83. Bibcode : 1992ASAJ ... 91.3166G . DOI : 10.1121 / 1.402855 .
  • Бреннер М.П., ​​Хильгенфельдт С., Лозе Д. (май 2002 г.). "Однопузырьковая сонолюминесценция" (PDF) . Обзоры современной физики . 74 (2): 425–484. Bibcode : 2002RvMP ... 74..425B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.74.425 .
  • Талеярхан Р.П. , Западный компакт-диск, Чо Дж.С., Лахей Р.Т., Нигматулин Р.И., Блок RC (март 2002 г.). «Доказательства ядерной эмиссии во время акустической кавитации» . Наука . 295 (5561): 1868–73. Bibcode : 2002Sci ... 295.1868T . DOI : 10.1126 / science.1067589 . PMID  11884748 . S2CID  11405525 .
  • Чанг К. (15 марта 2005 г.). «Крошечные пузыри лопаются от жара звезды» . Нью-Йорк Таймс .
  • Wrbanek JD, Fralick GC, Wrbanek SY, Hall NC (2009). «Исследование сонолюминесценции как средства сбора энергии». В Миллис MG, Дэвис EW (ред.). Границы двигательной науки . Аннотация Сервер технических отчетов НАСА. Американский институт воздухоплавания и космонавтики. С. 605–37. DOI : 10.2514 / 4.479953 . ISBN 978-1-56347-956-4.
  • Руководство по студенческим научным проектам можно найти в: Hiller R, Barber B (1995). «Создание света из воздушного пузыря». Scientific American . 272 (2): 96–98. Bibcode : 1995SciAm.272b..96H . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0295-96 .
  • Татроцкий П. (2006). «Трудности теории сонолюминесценции на основе квантового явления вакуумного излучения» . PHILICA.com . Артикул № 19.Эта статья была создана в 1996 году вместе с альтернативной теорией; оба были замечены г-жой Эберлейн. Он содержит много ссылок на важнейшие экспериментальные результаты в этой области.
  • Buzzacchi M, Del Giudice E, Preparata G (апрель 1998 г.). "Сонолюминесценция раскрыта?". arXiv : квант-ph / 9804006 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Подробное описание эксперимента по сонолюминесценции.
  • Описание эффекта и эксперимента, со схемой аппарата.
  • Видео на галлон схлопывающегося пузыря (934 КБ)
  • Креветочная люминесценция
  • Импульсные устройства
  • Применение сонохимии
  • Звуковые волны увеличивают сонолюминесценцию
  • Сонолюминесценция: звук в свет