Sonoluminescență

Sonoluminescență este fenomenul prin care fotonii sunt emise de bule de gaz , care este variată în diametru cu ajutorul ultrasunetelor .

Istoric

Efectul a fost descoperit la Universitatea din Köln în 1934 de H. Frenzel și H. Schultes, în timpul unui experiment sonar . Primele experimente pe acest subiect datează din 1917 , când Marina Regală Britanică i-a cerut fizicianului Lord Rayleigh să înțeleagă de ce elicele navelor au suferit daune inexplicabile.

În 1989 , D. Felipe Gaitan și Lawrence Crum au reușit să producă o bulă sonoluminiscentă unică.

În 2005 , experimentul lui D. Flannigan, care a implicat o bulă de argon cufundată în acid sulfuric, a făcut posibilă măsurarea temperaturii atinse în centrul bulei.

Explicații

Explicația teoretică a acestui fenomen rămâne astăzi un subiect de studiu. Calculele făcute de la descoperirea fenomenului par să indice că, în ciuda condițiilor destul de neobișnuite de temperatură și presiune din inima balonului în timpul prăbușirii sale (mica undă de șoc încălzește puternic gazul conținut în bulă), producția de lumină nu ar trebui interveni.

Nu știm astăzi dacă această diferență între teorie și observație se datorează inexactităților modelelor cunoscute atunci când acestea sunt aduse la condiții extreme precum cele de sonoluminiscență sau dacă un fenomen care nu a fost luat în considerare până atunci este opera.

În 2002 , fizicianul american Rusi Taleyarkhan (în) a prevăzut o reacție de fuziune nucleară (vezi fuziunea la rece ), declanșată de unda de șoc, dar aceste rezultate nu au putut fi reproduse, ele rămân foarte criticate de comunitatea științifică.

Experimentul lui D. Flannigan a făcut posibilă demonstrarea faptului că temperatura din inima bulei ajunge la 20.000 kelvini , care este echivalentul temperaturii de pe suprafața unei stele . În plus, bula de argon este de trei mii de ori mai luminiscentă decât o bulă produsă în apă. Oxigenul ionizat a fost găsit și pe suprafața bulei. Ipoteza prezenței unei plasme în centrul bulei ar explica această ionizare.

Conform experimentelor cercetătorilor americani Rusi Taleyarkhan și Richard Lahey, se pare că temperatura din centrul bulelor poate ajunge la 10 milioane de grade. Ei ar fi înregistrat emisia de neutroni la 2,5 MeV și ar fi detectat prezența tritiului după reacție.

Proprietăți

Sonoluminiscența poate sau nu să apară atunci când o undă sonoră de intensitate suficientă determină contractarea rapidă a unei cavități gazoase dintr-un lichid. Această cavitate poate lua forma unei bule; poate fi generat în timpul unui proces numit cavitație . Sonoluminescența în laborator poate fi stabilizată: o singură bulă se extinde și apoi se contractă continuu periodic, emițând un fulger de lumină cu fiecare contracție. Pentru aceasta, o undă sonoră este emisă într-un lichid, iar presiunea bulei va depinde de această undă. Frecvența de rezonanță depinde de mărimea și forma vasului în care este conținută balonul.

Unele informații despre sonoluminescență:

Blițurile de lumină emise de bule sunt extrem de scurte, între 35 și câteva sute de picosecunde , cu intensități de vârf de ordinul 1 mW până la 10 mW.
Hiller (1992) a arătat că spectrul de lumină emis de Single Bubble SonoLuminescence ("SBSL", un experiment descris în 1989 de DF Gaitan) este continuu, ceea ce duce la indiciul că se creează o plasmă.
Bulele sunt foarte mici atunci când emit lumină, în jurul unui micrometru în diametru. Acest lucru depinde de fluidul din jur (de exemplu, apă ) și de gazul conținut în bulă (de exemplu, aerul ).
Sonoluminiscența cu bule simple poate avea perioade și diametre foarte stabile. Cu toate acestea, analiza stabilității unei bule arată că bula este ea însăși supusă unor instabilități geometrice semnificative, datorită forțelor lui Bjerknes și a instabilităților lui Rayleigh-Plesset (în) .
Prin adăugarea unei cantități mici de gaz nobil (cum ar fi heliu , argon sau xenon ) la gazul din bulă, se poate crește intensitatea luminii emise.

Lungimea de undă a luminii emise poate fi foarte scurt, de exemplu, spectrul de SBSL (Single Bubble sonoluminescență) ajunge la ultraviolete . Legile fizicii arată că cu cât lungimea de undă a luminii este mai mică, cu atât este mai mare energia ei. Măsurarea spectrului luminos sugerează o temperatură în bulă de cel puțin 20.000 Kelvin și până la o temperatură care depășește un megakelvin. Veridicitatea acestor estimări este pusă sub semnul întrebării de faptul că apa, de exemplu, absoarbe aproape toate valurile sub 200 nm. Acest lucru a condus la diferite estimări ale temperaturii bulei, deoarece poate fi extrapolată din spectrul de emisii obținut în timpul contracției sau estimată folosind ecuația Rayleigh-Plesset (a se vedea mai jos). Unele estimări plasează interiorul balonului la un gigakelvin. Aceste estimări se bazează pe modele care nu pot fi verificate astăzi.

Mecanic

Mișcarea bulei este descrisă, ca o primă aproximare, prin ecuația Rayleigh-Plesset:

R \ ddot {R} + \ frac {3} {2} \ dot {R} ^ {2} = \ frac {1} {\ rho} \ left (p_g-P_0-P (t) -4 \ eta \ frac {\ dot {R}} {R} - \ frac {2 \ gamma} {R} \ right).

Această aproximare rezultă din ecuațiile Navier-Stokes și descrie comportamentul unei bule cu o rază în funcție de timp . Factorul este vâscozitatea , presiunea și tensiunea superficială . $R$ $t$ $\ eta$ $p$ $\gamma$

Organic

Crevetele pistol poate produce un tip de sonoluminescență de prăbușirea unui balon cauzată de snap rapidă a unei gheare specializate. Animalul poate crea apoi o bulă acustică de cavitație care generează presiuni de până la 80 kPa la o distanță de 4 cm și o temperatură centrală de 5000 K. Viteza de mișcare a bulei poate ajunge la aproape 100 km / h și eliberează sunet la 218 decibeli. Această presiune este suficient de puternică pentru a ucide peștii mici. Lumina produsă este de intensitate mai mică decât lumina produsă de sonoluminescența tipică și nu este vizibilă cu ochiul liber. Acest efect biologic descoperit în 2001 a fost supranumit „shrimpoluminescență”.

Cultură

În filmul Pursuit , un om de știință reușește să folosească sonoluminescența pentru a declanșa o fuziune nucleară controlată.

Note și referințe

Laurent Sacco, „ Un record de luminozitate pentru sonoluminescență? » , Pe futura-sciences.com ,23 aprilie 2011.
Știință 8 martie 2002: Vol. 295 nr. 5561 p.1850 DOI: 10.1126 / science.1070165 http://science.sciencemag.org/content/295/5561/1868.abstract
Interviu cu Ken Suslick pe site-ul de informații al UIUC .
(în) David J. Flannigan și Kenneth S. Suslick, „ Plasma Quenching by Air During Single-Bubble Sonoluminescence ” , The Journal of Physical Chemistry. A, Molecule, spectroscopie, cinetică, mediu și teoria generală , vol. 110, nr . 30,august 2006, p. 9315-9318

linkuri externe

Documentul ENS Cachan TP privind studiul fenomenului sonoluminescenței
Articole în limba engleză despre istoria și teoria sonoluminescenței.
Articol (plătitor) în limba engleză, din revista Nature, despre experiența lui Flannigan .
Documentarul BBC Horizon English „ Un experiment pentru a salva lumea ” care descrie experiența lui Rusi Taleyarkhan și protestele care au urmat: https://www.youtube.com/watch?v = R-4SeO-a1Rc