Что такое сонолюминесценция?
В 1896 Henri Becquerel обнаружил, что соль урана может затемнять фотографическую пластину, так была открыта радиоактивность. В 1934, Frenzel и Schultes (University of Cologne), поставил фотографическую пластину в водяную ванну в которой генерировались акустические волны и также наблюдал потемнение пластины, которое они приписывали люминесценции от звукового поля - результат, который стал позже известен как сонолюминесценция. Люминесценция, которую они наблюдали не была результатом непосредственного воздействия звукового поля. Люминесценция возникала в результате процесса, называемого "кавитацией", при котором газ и пар заполняли пустоты, произведенные в объеме жидкости при растяжении жидкости при понижении давления. Последующий коллапс этих пустот, вызванный преимущественно действием звукового давления на полу периоде сжатия, вызывает высокую - до двенадцати порядков величины - степень концентрации энергии. Однако исследование этого явления было долгие годы затруднено неустойчивостью и коротким временем жизни явления. Ситуация изменилась, когда Gaitan нашел способ получить сонолюминесценцию от одиночного пузырька, удерживаемого внешней стоячей сферической акустической волной, при котором пузырек расширяется и сжимается в фазе с колебаниями давления в жидкости. Открытие сонолюминесценции от одиночного пузырька, при котором сферическая симметрия сохраняется до субмикронных размеров, привела к замечательному явлению, при котором наблюдались чрезвычайно короткие вспышки света, длительностью порядка 10 ps, при наличии существенной части энергии вспышки в ультрафиолетовой области спектра, испускающихся от пузырька с устойчивой периодичностью. До сих пор остается загадкой, как звуковая энергия с низкой плотностью может концентрироваться в столь малом объеме, вызывая вспышку света со спектром абсолютно черного тела с наблюдаемой температурой более 10000 К.
Хотя имеется много различных объяснений происхождения сонолюминесценции, наиболее вероятным на сегодняшний день кажется генерация ударной волны внутри пузырька на конечной стадии коллапса. Если эта ударная волна действительно существует, тогда предварительные вычисления конечных температур и давлений, которые реализуются в пузырьке, дают температуры более миллиона градусов и давления порядка мегаатмосфер - условия, которые приближаются к требуемым для термоядерного синтеза. Однако следует отметить высокую степень спекулятивности построений аналогий между инерционным удержанием для проведения термоядерного синтеза и сонолюминесценцией. Только если пузырек достигнет невероятно ничтожного радиуса в 10 нанометров, вещество в фокусе сможет достичь температур, подходящих для протекания ядерных реакций синтеза. Нетрудно представить себе количество эффектов, которые будут препятствовать такому сжатию - это и неустойчивость ударной волны, и термальная диффузия, и радиационное торможение и многие другие.
Исследование явления сонолюминесценции преподносит больше загадок, чем решений. Так например известно, что 1) по данным эксперимента, проведенного в Lawrence Livermore National Laboratory, вспышка света от пузырька чрезвычайно короткая - длительностью меньше, чем 12 пикосекунд, 2) пузырек очень крошечный, когда испускает свет - около 1 микрометра в диаметре, 3) вспышки света от одиночного пузырька в звуковом поле могут иметь чрезвычайно устойчивый период и положение - частота вспышек излучения может быть даже более постоянной, чем частота задающего звукового генератора, производящего удерживающую акустическую волну [8], 4) добавление небольшого количества инертного газа (такого как гелий, аргон, неон) приводит к существенному повышению яркости вспышек, 5) при использовании тяжелой воды (D2O) вместо обычной воды спектр сонолюминесценции удивительно сильно смещается из ультрафиолетовой области в красную область (S.Putterman and R.Hiller, UCLA), особенно если принять во внимание небольшое отличие химических и упругих свойств тяжелой и легкой воды, 6) оптимальное значение температуры, при которой наблюдается максимальная яркость вспышек, по данным разных авторов находится в диапазоне от 4 до 25 градусов Цельсия. Наблюдаемый эффект привязывается к температурной зависимости вязкости воды от температуры. Вязкость хотя и не входит в уравнения коллапса пузырька, но может играть существенную роль в подавлении развития неустойчивостей пузырька.
Особенный интерес представляет исследование сонолюминесценции пузырька полученного с помощью лазерного пробоя, так как в этом случае отсутствует внешнее звуковое поле. Кроме того может быть получен монопузырек с заданной степенью несферичности за счет приближения точки начала пробоя к поверхности раздела фаз и тем самым прояснить некоторые вопросы относительно происхождения сонолюминесценции (C.D.Ohl, O.Lindau, and W.Lauterborn, Drittes Physikalisches Institut, Gottingen). Хотя сонолюминесценция от монопузырька при лазерном пробое была получена Бузуковым и Тесленко (Институт гидродинамики, Новосибирск) гораздо раньше опытов Gaitan'а, возможности измерительной техники того времени лежали за пределами применимости данного явления. А сложность получения пузырьков до сих пор является серьезным препятствием в этих исследованиях.
Основные из недавних работ по сонолюминесценции одиночного пузырька были направлены на исследование динамики колебаний пузырька и снятие спектра излучения в диапазоне от 400 до 700 нанометров от пузырьков, заполненных различными газовыми смесями. Дополнительная информация о сонолюминесценции может быть получена по следующим ссылкам:
Список литературы
Links to Sonoluminescence