Sonoluminescens
Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 oktober 2020; kontroller kräver 2 redigeringar .Sonoluminescens är fenomenet med uppkomsten av en ljusblixt under kollapsen av kavitationsbubblor som genereras i en vätska av en kraftfull ultraljudsvåg . En typisk upplevelse för att observera sonoluminescens är följande: en resonator placeras i en behållare med vatten och en stående sfärisk ultraljudsvåg skapas i den. Med tillräcklig ultraljudskraft uppträder en ljus punktkälla av blåaktigt ljus i själva mitten av tanken - ljudet förvandlas till ljus.
Historia och tidig forskning
Trots det faktum att fenomenet först observerades på 1930 -talet var mekanismen för sonoluminescens helt obegriplig under lång tid. Detta beror på det faktum att i de första experimenten var endast enstaka och ganska svaga blixtar synliga, det vill säga hela denna tid var det inte möjligt att hitta de optimala förhållandena för uppkomsten av sonoluminescens.
På 1990-talet dök det upp installationer som gav starkt, kontinuerligt, stabilt sonoluminescerande ljus. Som ett resultat blev det möjligt att studera sonoluminescerande ljus inte med hjälp av fotografiska filmer (det vill säga genom att ackumulera ljus under en lång tidsperiod), utan i realtid, med utmärkt temporal och rumslig upplösning. Experiment har visat att den sonoluminescerande glöden är ett resultat av följande cykel:
- En stående ultraljudsvåg i sällsynthetsfasen skapar ett mycket lågt tryck i vattnet, vilket leder till en lokal bristning av vattnet och bildandet av en kavitationsbubbla .
- Under ungefär en fjärdedel av ultraljudsvågens period (det vill säga medan trycket förblir mycket lågt) växer bubblan, och om den stående ljudvågen är sfäriskt symmetrisk förblir bubblan sfärisk. I vissa experiment nådde bubbeldiametern bråkdelar av en millimeter.
- I kompressionsfasen kollapsar kavitationsbubblan, och snabbare och snabbare. Kollapsprocessen påskyndas också av kraften från ytspänningen .
- I de sista delarna av perioden kommer en mycket kort och ljus blixt av ljus från mitten av den kollapsade bubblan. Eftersom i det stationära läget föds kavitationsbubblan och kollapsar miljontals gånger per sekund , ser vi det genomsnittliga sonoluminescerande ljuset.
Ur fysisk intuitions synvinkel har sonoluminescens ett antal paradoxala egenskaper.
- Sonoluminescens är mest effektiv i vanligt vatten. Bara de senaste åren[ när? ] med svårighet lyckats uppnå förekomsten av sonoluminescens i andra vätskor.
- En liten koncentration av inerta gaser lösta i vatten förstärker effekten avsevärt.
- Ljusstyrkan hos sonoluminescerande ljus ökar dramatiskt när vattnet svalnar.
- En ljus sonoluminescerande blixt har som regel ett mer eller mindre jämnt spektrum utan några separata spektrallinjer . Detta spektrum växer brant i den violetta riktningen och liknar ungefär strålningsspektrumet för en svart kropp med en temperatur i storleksordningen hundratusentals kelviner .
Det var spektrumet som blev den främsta stötestenen i försöken att förklara fenomenet. Om sonoluminescerande ljus är av termiskt ursprung, är det nödvändigt att förklara hur ultraljud värmer vatten till sådana temperaturer. Om höga temperaturer inte har något med det att göra, vad är då ljusets ursprung i allmänhet?
Sonoluminescens med en och flera bubblor
På 1990-talet upptäcktes fenomenet multi- bubblor sonoluminescens . Det uppstår om förutsättningarna för kavitation skapas inte vid en punkt, utan i ett ganska stort område, i storleksordningen en centimeter eller mer. I det här fallet föds och kollapsar kontinuerligt många separata bubblor, som interagerar, förenar sig, kolliderar med varandra. I motsats till detta läge har det centrala bubbelläget som beskrivs ovan kommit att kallas enkelbubbla sonoluminescens .
Med multibubble sonoluminescens är glöden svagare och har ett helt annat spektrum. Individuella emissionslinjer är nämligen tydligt spårade och till och med dominerade i spektrumet; till exempel är emissionslinjen för den exciterade neutrala radikalen OH* vid 310 nm tydligt synlig. Dessutom, om några ämnen är lösta i vatten, så visas även deras emissionslinjer i spektrumet [1] . Allt detta vittnar ovedersägligt till förmån för det faktum att glöden i multibubble sonoluminescens är av termiskt ursprung. Beroende på de specifika förhållandena var temperaturen i det lysande området under multibubblans sonoluminescens 2000-5000 Kelvin [2] .
Den skarpa skillnaden mellan spektra av enkel- och multi-bubbla sonoluminescens ledde till uppkomsten av synpunkten att vi talar om helt olika fenomen. Men i början av 2000-talet dök det upp tidningar där en smidig övergång mellan dessa två sonoluminescensregimer hittades [3] . Efter dessa arbeten blev det klart att enbubbla sonoluminescens också har en termisk natur, och dess mystiska spektrum förklaras av för hög temperatur och tryck under kollapsen av en sfäriskt symmetrisk bubbla, så att individuella exciterade radikaler tar bort excitation på ett kollisionssätt och har inte tid att markera en foton [4] .
Teoretisk modell
Så om ljusets natur är termisk, är det nödvändigt att förklara hur så höga temperaturer uppnås.
Man tror för närvarande att vattenuppvärmning sker enligt följande.
- Med snabb komprimering av kavitationsbubblan upplever vattenånga en process nära adiabatisk komprimering. Samtidigt, eftersom bubblans radie kan minska med en faktor tiotals, är det fullt möjligt att värma vattenånga i storleksordningar, det vill säga upp till flera tusen kelvin.
- Det är känt att uppvärmningseffektiviteten i en adiabatisk process bestäms av det adiabatiska indexet, vilket i sin tur starkt beror på vilken gas vi överväger. Uppvärmning är mest effektiv för monoatomiska gaser, så att även små föroreningar av inerta gaser i vatten kan påverka uppvärmningseffektiviteten avsevärt.
- Beroendet av sonoluminescensljusstyrkan på vattentemperaturen bestäms av balansen mellan vattenånga och inerta gaser inuti bubblan. Med en minskning av vattentemperaturen förändras nästan inte flyktigheten hos ångor av inerta gaser, medan trycket av mättade vattenångor sjunker kraftigt. Detta leder till bättre ånguppvärmning under bubbelkompression.
- Det är tydligt att den initiala bubblan har en inte helt regelbunden sfärisk form. Under kollapsen ökar dessa symmetriförvrängningar, och som ett resultat är det inte möjligt att fokusera all initial energi till en punkt. Om det med kavitation med en bubbel, när de initiala distorsionerna är små, är möjligt att minska bubbelradien med en storleksordning eller mer, så tillåter inte de initiala distorsionerna att bubblan komprimeras kraftigt med multi-bubbles sonoluminescens, vilket påverkar sluttemperaturen.
- Vid sonoluminescens med en bubbel, vid det sista stadiet av kollapsen av en kavitationsbubbla, utvecklar bubbelväggarna en hastighet på upp till 1–1,5 km/s, vilket är 3–4 gånger ljudets hastighet i gasblandningen inuti bubblan. Som ett resultat, under kompression, uppstår en sfärisk konvergerande stötvåg , som sedan, reflekterad från mitten, passerar genom ämnet igen. Det är känt att stötvågen effektivt värmer mediet: när den passerar genom fronten av stötvågen värms ämnet upp M² gånger, där M är Mach-talet . Detta leder tydligen till en ökning av temperaturen med en annan storleksordning och låter dig nå hundratusentals kelviner.
Schwinger modell
En ovanlig förklaring av sonoluminescenseffekten, på grund av Schwinger [5] , är baserad på övervägandet av förändringar i vakuumtillståndet för det elektromagnetiska fältet i bubblan i processen att snabbt ändra formen på den senare, ur en synvinkel nära vad som vanligtvis används när man beskriver Casimir-effekten , när vakuumtillståndet för det elektromagnetiska fältet betraktas i en platt kondensator, beroende på de randvillkor som bestäms av plattorna. (Se även Unruh-effekten ). Detta tillvägagångssätt utvecklades mer i detalj i Claudia Eberleins arbete [6] [7] .
Om detta är sant, är sonoluminescens det första exemplet där strålning associerad med en förändring i vakuumtillståndet observeras direkt experimentellt.
Argument har framförts för att sonoluminescens är förknippat med omvandlingen av för mycket energi på för kort tid för att överensstämma med ovanstående förklaring [8] . Men andra trovärdiga källor hävdar att vakuumenergiförklaringen fortfarande kan vara korrekt [9] .
Tillämpningar av sonoluminescens
Förutom det rent vetenskapliga intresset som är förknippat med att förstå beteendet hos en vätska under sådana förhållanden, kan forskning om sonoluminescens också ha tillämpade tillämpningar. Låt oss lista några av dem.
- Subminiature Chemistry Laboratory . Reagens lösta i vatten kommer att finnas i plasman under den sonoluminescerande blixten. Genom att variera experimentets parametrar är det möjligt att kontrollera koncentrationen av reagens, liksom temperaturen och trycket i detta sfäriska "mikrotub". Bland bristerna med denna metod är
- ganska begränsad fönster av vattengenomskinlighet, vilket gör det svårt att observera reaktionen
- oförmågan att bli av med närvaron av vattenmolekyler och deras element, särskilt från hydroxyljoner.
- Fördelarna med tekniken är
- den lätthet med vilken det är möjligt att skapa höga temperaturer i reaktionsblandningen.
- förmågan att utföra experiment med ultrakort tid, på skalan av pikosekunder .
- Förmågan att starta en termonukleär reaktion . Vissa experimentella grupper ( Ruzi Taleiarkhan ) hävdar att de har kunnat nå temperaturer i storleksordningen miljontals kelviner i en sonoluminescerande blixt medan de observerade produkterna från en termonukleär reaktion . Bekräftelse av resultaten av dessa experiment skulle göra det möjligt att erhålla en kompakt termonukleär reaktor . Situationen är dock fortfarande kontroversiell och kräver ytterligare forskning.
Se även
Anteckningar
- ↑ TJ Matula, RA Roy, PD Mourad, WB McNamara, KS Suslick. Jämförelse mellan Multibubble och Single-Bubble Sonoluminescence Spectra // Phys . Varv. Lett. . - 25 september 1995. - Vol. 75, nr. 13 . - P. 2602-2605. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ WB McNamara, YT Didenko, KS Suslick. Sonoluminescenstemperaturer under multi-bubble kavitation (engelska) // Nature . - 21 oktober 1999. - Nej . 401 . - s. 772-775. — ISSN 0028-0836 . Arkiverad från originalet den 15 maj 2010.
- ↑ O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, G.A. Williams. Spektrum av luminescens från laserskapade bubblor i vatten // Fysisk . Varv. Lett. . - 21 maj 2001. - Vol. 86, nr. 21 . - P. 4934-4937. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ K. Yasui. Sonoluminescens med en bubbla och flera bubblor // Fysisk . Varv. Lett. . - 22 november 1999. - Vol. 83, nr. 21 . - P. 4297-4300. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ Julian Schwinger . Cold fusion theory: A short history of mine (engelska) // Infinite Energy . - Mars-april 1995. - Vol. 1, nr. 1 . - S. 10-14. — ISSN 1081-6372 . Arkiverad från originalet den 25 september 2008.
- ↑ Claudia Eberlein. Sonoluminescens som kvantvakuumstrålning // Phys . Varv. Lett. . - 3 maj 1996. - Vol. 76, nr. 20 . - s. 3842-3845. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ Claudia Eberlein. Teori om kvantstrålning observerad som sonoluminescens // Phys . Varv. A. _ - April 1996. - Vol. 53, nr. 4 . - s. 2772-2787. — ISSN 1050-2947 . (Se även på arXiv.org Arkiverad 21 juni 2022 på Wayback Machine )
- ↑ Kimball A. Milton. Dimensionella och dynamiska aspekter av Casimir-effekten: Förstå verkligheten och betydelsen av vakuumenergi (engelska) : förtryck. — arXiv.org , 21 september 2000.
- ↑ S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser. Kommentar om "Dimensionala och dynamiska aspekter av Casimir-effekten: förstå verkligheten och betydelsen av vakuumenergi " . — arXiv.org , 17 oktober 2000. Arkiverad från originalet den 29 januari 2022.
Litteratur
- BP Barber et al, Phys. Rep. 281, 65 (1997)
- MP Brenner, S. Hilgenfeldt och D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002) (länk ej tillgänglig)
- Margulis M. A. UFN, 2000, nummer 3, s.263-287
- K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Applied Spectroscopy Review, 39(3), 399-436 (2004) .
Länkar
- Sonoluminescens: gåtor, idéer, förklaringar
- Kritik av terminologi
- Ljud med en temperatur på tusen grader
Mantisräka (klicker) dödar med ljud
| Begrepp | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sätt att inträffa |
| ||||||||||||||
| Andra ljuskällor | |||||||||||||||
| Typer av belysning |
| ||||||||||||||
| Belysningsarmaturer _ |
| ||||||||||||||
| relaterade artiklar | |||||||||||||||