Rețeaua științifică de sonoluminescență a rețelei, idei, explicații

Cuvântul frumos "sonoluminescență" ascunde în sine un fenomen fizic la fel de frumos. Un fenomen care a reușit să conecteze aparent stări complet diferite de materie: apă simplă rece și, brusc, au apărut bule de plasmă cu o temperatură de zeci de mii de grade! Stavshaya mai întâi la capătul mort, acum sonoluminescența se împrăștie treptat într-un atac puternic de la cercetători și dezvăluie ghicitorile sale.







1. Sonoluminescența - prima cunoaștere.

Fenomenul sono-luminescentei (SL) este acela că dacă un rezonator este plasat în apă și în el este creat un val ultrasonic în picioare. apoi apare în apă o sursă de lumină albăstrui, chiar în centrul rezonatorului. Sunetul devine lumină!

Ei bine, nu este nimic care strălucește în cazul în care cititorul critic va spune. Este cu adevărat o sarcină atât de dificilă? Apoi, apelați imediat primele două ghicitori ale SL.

Primul: experimentul arată că spectrul SL al luminii are un aspect uniform, neted, care crește treptat spre ultraviolet. fără nici o linie de emisie distinctă. Acest lucru sugerează că mecanismul de radiație CO este mai probabil să fie termic (similar cu mecanismul luminii soarelui sau a becurilor incandescente). Dar permiteți, apoi se dovedește că în apă există o zonă cu o temperatură de zeci de mii de grade! Cum poate un val ultrasonic "încălzi" apa la temperaturi de mai multe ori mai mari decât temperatura de pe suprafața soarelui.

A doua ghicitoare. Observațiile arată că strălucirea provine dintr-o regiune mai mică de un micron. Aceasta este în ciuda faptului că singura dimensiune caracteristică în sistem este lungimea de undă a ultrasunetelor egală cu câțiva centimetri. Cum reușește să se concentreze energia sunetului într-un volum atât de mic? Și, la urma urmei, estimările arată că, de fapt, la SL, concentrația de energie este de un miliard de ori, adică cu 12 ordine de mărime!

Mistic, nu altfel.

2. Ce se observă? Fapte experimentale.

De fapt, totul nu este la fel de misterios cum ar părea mai întâi. Înainte de a construi ipoteze despre originea SL, să facem o scurtă trecere în revistă a proprietăților sale principale.

Chiar și primele experimente au arătat că lumina SL nu este radiată continuu, ci mai degrabă extrem de scurtă (durata ordinii de 0,1 ns). Sursa fiecărui blitz SL este un balon de cavitație care se află în centrul instalației, adică într-un nod al unui val ultrasonic în picioare. Originea sa este de înțeles: un val sonor de intensitate suficient de mare (în faza de rărire) poate provoca astfel de tensiuni mari în lichid. că nu ar fi dificil pentru ea să spargă pe loc mediul continuu, creând în ea o cavitate mică, un flacon umplute cu vapori de apă și dizolvat în apă de gaze. Prin jumătatea perioadei, sub acțiunea efectului compresiv al forțelor ultrasunete și a tensiunii de suprafață. Totuși, această bubble se prăbușește, deși nu complet. Și în momentul în care se atinge raza minimă, o radiație de radiație SL emite direct din bule.


Fig.1 Dependența razei bulelor la timp; Săgeata arată momentul emisiei de lumină de la SL.


Fig.2 Spectrul tipic al luminii sono-luminescente.

Să trecem direct la radiații. Figura 2 prezintă un spectru tipic de sono-luminescență. Așa cum am spus deja, continuu, fără nici o linie de radiații separată, spectrul care crește în regiunea ultravioletă în sine este un puzzle. Dacă aceasta este radiația termică, pornind de la faptul că maximul spectrului nu este vizibil, rezultă că vorbim despre temperaturi în zeci de mii de grade, adică în interiorul SL al balonului este o plasmă! Dacă mecanismul radiațiilor nu este termic, atunci ce este?

Mai mult, dacă vorbim de temperaturi atât de ridicate, în spectrul SL ar trebui să existe linii atomice și moleculare separate. De exemplu, într-un radical OH * excitat neutru, care trebuie să abundă în plasma SL (încă în jurul apei!), Există o linie de emisie clară la 310 nm, iar în spectrul SL nu există nici cea mai mică indicație a prezenței sale. Din cauza a ce limite separate au dispărut?

În plus, alte modele, la fel de surprinzătoare, au fost stabilite pe baza experienței. De exemplu, a fost observată o puternică dependență de temperatura apei. Dacă această temperatură a fost redusă de la 40 ° C la 0 ° C, atunci luminozitatea luminiscenței SL a crescut cu un factor de 100! Care este natura acestei sensibilități anormal de ridicate? Apoi, a fost pur empiric că un mic procent de gaze nobile. dizolvat în apă, este extrem de important pentru luminescența luminată și stabilă. Cum chiar gazele nobile ajută la strălucirea nu este încă clar. În cele din urmă, sa observat că printre multele lichide din apa SL, radiația este maxim luminos.







În paralel cu sonoluminescența cu singur bule descrisă mai sus, oamenii de știință au studiat și așa-numita SL multibubble. În acest mod, puterea critică a ultrasunetelor este atinsă într-un volum destul de mare de apă. Din acest motiv, în faza de rărire, nu se nasc un singur bulevard (cîteva sute) de cavități. Particularitatea acestui regim este ca bulele separate să înceapă să interacționeze unul cu celălalt, să se îmbine, să formeze cavități mai mari cu geometrie neregulată.


Fig.3 Compararea spectrelor de sono-luminescență unică și multibublinară.

Studiile au arătat că spectrul luminii emise în acest mod este foarte diferit de cel al unei singure bule SL. Figura 3 prezintă datele obținute în [2]. În acest studiu, spectrele SLS unice și multibubble au fost comparate pentru prima dată într-o soluție 0,1 molar de NaCl în apă în aceleași condiții. Se poate observa că în liniile SL multibubble se observă în mod clar linii de radiații distincte; în special, există, de asemenea, linia de emisie OH * de mai sus la 310 nm. Într-o singură bule SL pe aceste linii nu există nici un indiciu.

Această diferență în ceea ce privește proprietățile SL-urilor cu una sau mai multe bule a dus la suspiciuni că mecanismul de luminescență pentru SL singular și multibubular este fundamental diferit. Această stare de lucruri, desigur, a confundat situația. Prin urmare, o parte semnificativă a cercetărilor din ultimii ani a fost orientată spre aflarea numărului de "sonoluminescențe diferite" pe care le observăm. Judecând după starea de spirit a celor mai recente publicații, cercetătorii par să fi rezolvat această sarcină.

Această lucrare este prima confirmare indiscutabilă a faptului că sono-luminescența cu un singur balon, cel puțin parțial, are și o natură termică, datorită și originii sale într-o plasmă luminată.


Fig.4 Spectra SL în timpul colapsului unui balon mare.

Experimentatorii au variat raza inițială a bulei în intervalul de la 0,2 la 2 mm și au observat cum se schimbă spectrul flarei în acest caz (figura 4). Se vede că atunci când raza inițială depășește 1 mm, aceeași linie de emisie OH * apare în spectru. În plus, fotografiile SL blițului indică faptul că un balon suficient de mare începe să se prăbușească în procesul de colaps, dezintegrat în bule mai mici. Deci, în realitate, avem deja de-a face cu o adevărată SL multibubble.

Un mister mai puțin. Putem presupune că relația dintre SL cu un singur și cu mai multe bule este în mod clar stabilită. Ambele trebuie să aibă o natură termică, iar diferența dintre proprietățile lor este mai degrabă una cantitativă: este determinată de diferența dintre temperaturile atinse în aceste procese.

4. Mecanismul sono-luminescentei - un model teoretic.

În lumina experimentelor recente, se poate considera că radiația SL este de natură termică. Un nor mic de plasma emite lumină, care pentru scurt timp este aprinsă în centrul balonului care se prăbușește. Datele experimentale indică faptul că temperatura plasmatică în cazul unei singure bule SL este de zeci de mii de grade. Prin urmare, apare prima întrebare: cum să atingem o astfel de temperatură ridicată?

Se pare că răspunsul este acesta: balonul se contractă destul de rapid și gazul din interiorul acestei compresii cvasi-adiabatice se încălzește. Cu toate acestea, nu totul este atât de simplu. Gazul din interiorul bulei este comprimat și încălzit nu atât de ușor. Pereții balonului nu sunt ceva complet impenetrabil. Într-adevăr, vaporii de apă vor condensa pur și simplu pe pereții bulei, iar gazul nobil prezent în bule va difuza spre exterior. Nu uitați de radiatorul convențional din cauza conductivității termice. În plus, reacțiile endoterme care încep la temperaturi ridicate pot, de asemenea, să absoarbă foarte eficient căldura. Ca rezultat al comprimării simple a bulei, temperatura nu poate fi ridicată o sută de ori.

Cu toate acestea, nu am luat totul în considerare încă. Rata de prăbușire a balonului în ultima etapă, după cum ne amintim, este de 1-1,5 km / sec, care este de 3-4 ori mai mare decât viteza de zgomot în amestecul de gaze din interiorul bulei! Dar se știe că mișcarea supersonică generează undă de șoc. astfel încât, ca rezultat, începând dintr-o clipă, în interiorul bubblei să apară o undă de șoc collabilă. Și de la hidrodinamică se știe că undele de șoc încălzesc mediul mult mai eficient: atunci când trece prin partea frontală a undelor de șoc, substanța se încălzește în M de 2 ori, unde M este numărul Mach. Dar asta nu e tot. După ce valul de șoc atinge centrul, acesta se va "reflecta" și începe să se răspândească spre exterior. Ca urmare, un val de șoc trece printr-un punct dat de materie de două ori, iar în ambele cazuri va exista o creștere semnificativă, de mai multe ori a temperaturii.

În contrast, cu un SL multibubble, balonul inițial are o formă neregulată, fără formă spongioasă. Odată cu prăbușirea, aceste distorsiuni cresc numai și, ca rezultat, toată energia inițială nu poate fi focalizată la un punct. Prin urmare, mecanismul undei de șoc nu mai funcționează, iar încălzirea se efectuează numai prin comprimarea bulei. Ca o consecință, temperatura în acest caz nu este atât de mare, lucru confirmat de experiment.

În cele din urmă, cum este problema absenței în spectrul SL a liniilor limită de emisie moleculară pentru SL cu un singur bule? Aparent, răspunsul constă în faptul că în astfel de condiții extreme, coliziunile moleculelor sunt atât de frecvente, încât OH * îndepărtează rapid excitația fără radiație, adică pur și simplu nu are timp să lumineze fotonul (vezi [6]).

În general, o descriere teoretică pură a sonoluminescenței nu este, desigur, încă construită. Încă există întrebări deschise, și multe dintre ele. Cu toate acestea, mult - în primul rând, natura termică și legătura dintre SL unică și multiplă - au devenit deja clare. Să sperăm că, în viitorul apropiat, fenomenul va fi înțeles în cele din urmă în detaliu și poate că se va aplica în știință și, poate, chiar în viața de zi cu zi.







Trimiteți-le prietenilor: