Sonoluminestsents

Sonoluminestsents on füüsikaline nähtus, milles vedelikus olevad mullid implodeerumise käigus heliga ergastades kiirgavad lühiajaliselt valgust.

Üksiku mulli sonoluminestsents - üksik kaviteeruv mull.

Ajalugu

Sonoluminestsentsi vaadeldi esmakordselt 1934. aastal Kölni ülikoolis sonariga seotud uurimiste käigus. H. Frenzel ja H. Schultes asetasid ultraheli muunduri fotode ilmutusvedeliku paaki. Sellega lootsid nad fotode ilmutamise protsessi kiirendada. Soovitud tulemuse asemel märkasid nad pärast filmide ilmutamist fotodel pisikesi täppe ja mõistsid, et mullid vedelikus kiirgasid ultraheli sisselülitamise korral valgust. Esimestes katsetes oli ultraheli mõju raske analüüsida, kuna tegemist oli keerulise arvukate lühiajaliselt eksisteerivate mullidega keskkonnaga. Praegu nimetatakse seda nähtust mullikogumi sonoluminestsentsiks.

Aastal 1960 pakkus Peter Jarman Londoni Imperial College'ist välja kõige usaldusväärsema sonoluminestsentsi kirjeldava teooria. Ta jõudis järeldusele, et sonoluminestsents on oma olemuselt termilise päritoluga ja see võib tuleneda õõnsuste kokku varisemisel tekkivatest väikestest lööklainetest.

Eksperimentaalne edasiminek toimus 1989. aastal, kui suudeti korratavalt tekitada üksiku mulli sonoluminestsentsi. Üksiku mulli sonoluminestsentsil kiirgab akustilisse seisulainesse kinni jäänud üksik mull valgusimpulsi iga seisulaine mulli kokkusurumise korral. Antud tehnika võimaldas nähtust süstemaatilisemalt uurida ning lähemalt vaadelda kompleksseid mõjusid ühel stabiilsel, määratava käitumisega mullil. Katsest ilmnes, et mullisisene temperatuur on äärmiselt kõrge (piisav terase sulatamiseks). Aastal 2012 tehtud katses mõõdeti implosioonil mulli sisemiseks temperatuuriks ligikaudu 12 000 kelvininit. Sonoluminestsentsi vastu tekkis uuesti suurem huvi, kui postuleeriti sellise mulli sisetemperatuuriks üle miljoni kelvinini. Sellise temperatuuri esinemist pole seninin tõestatud. Hiljutised katsed viitavad temperatuuridele suurusjärgus 20 000 K (19 700° C; 35 500° F).

Omadused

Pika säriajaga tehtud foto mullikogumi sonoluminestsentsist, mille ergastab katseklaasi vedelikku kiiratud kõrge intensiivsusega ultraheli

Sonoluminestsents võib esineda juhul, kui piisava intensiivsusega helilaine paneb vedelikus oleva gaasilise õõnsuse kiiresti kokku kukkuma. See õõnsus võib olla juba eelnevalt olemasolev mull, aga võib tekkida kavitatsiooni käigus. Laboris saab sonoluminestsentsi muuta stabiilseks, et üksik mull suureneb ja variseb perioodiliselt korduvalt kokku järjest uuesti, eraldades iga kokku varisemise ajal valgusepuhangu. Sellise olukorra esile kutsumiseks tekitatakse vedelikus akustiline seisulaine ja mull asub seisulaine rõhu paisupunktis. Resonantsi sagedused sõltuvad mulli sisaldava anuma kujust ja suurusest.

Fakte sonoluminestsentsist: 

• Mullidest tekkiv valgus kestab 35 kuni paarsada pikosekundit ja intensiivsuse tippväärtus on suurusjärgus 1–10 mW.
• Mullid on valguse kiirgamise hetkel väga väikesed, ligikaudu 1 mikromeetrise läbimõõduga. Läbimõõt sõltub ümbritsevast vedelikust (tavajuhul vesi) ja mulli gaasisisaldusest (nt atmosfääri õhk).
• Üksiku mulli sonoluminestsentsi impulssid võivad esineda väga stabiilse perioodiga ja kindlas asukohas. Seejuures võib valgussähvatuste sagedus olla stabiilsem, kui ultrahelilaineid tekitava seadme nimisageduse stabiilsus. Kuid mulli stabiilsusanalüüsid näitavad, et mull ise allub märkimisväärsetele geomeetrilistele ebastabiilsustele, ja seda näiteks Bjerknesi jõudude ja Rayleigh–Taylori ebastabiilsusest tingituna.
• Väikese koguse väärisgaasi (näiteks heeliumi, argooni või ksenooni) lisamine mullis olevale gaasile suurendab kiiratava valguse intensiivsust.

Spektraalsed mõõtmised on mullide temperatuuriks andnud vahemiku 2300 K kuni 5100 K ja täpne temperatuur sõltub katsetingimustest, sealhulgas vedeliku ja gaasi koostistest. Väga kõrge mulli temperatuuri tuvastamine spektrilise meetoditega on piiratud vedelike lühikese lainepikkusega valgusele läbipaistmatuse tõttu, mis on iseloomuliku kõrgetele temperatuuridele.

Leidub uuring, kus kirjeldatakse temperatuuri määramise meetodit, mis põhineb plasmade moodustumisel. Kasutades katsetes argooni mulle väävelhappes, näitavad katsetulemused ioniseeritud molekulaarse hapniku O₂⁺, väävelmonoksiidi ja aatomilise argooni olemasolu kõrge energiaga ergastatud olekutes. See kinnitab hüpoteesi mullide kuumast plasmaga südamikust. Dioksügenüüli (O₂⁺) katioonide ionisatsiooni ja ergastuse energiaks, mõõdeti katses 18 elektronvolti. Sellest järeldadavad uurijad, et mulli südamiku temperatuur tõuseb vähemalt 20 000 kelvinini, mis on kuumem päikese pinna temperatuurist.

Rayleigh – Plesseti võrrand

Mulli liikumise dünaamikat kirjeldab esimeses lähenduses Rayleigh – Plesseti võrrand (nime tuleneb parun Rayleigh'ilt ja Milton Plessetilt):

$R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}^{2}={\frac {1}{\rho }}\left(p_{g}-P_{0}-P(t)-4\mu {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)$

See on ligikaudne võrrand, mis on tuletatud Navier-Stokesi võrranditest sfäärilistes koordinaatides ja kirjeldab mulli raadiuse R muutumist aja t funktsioonina. Lisaks tähistavad võrrandis μ viskoossust, p rõhku ja γ pindpinevust. Punktid tähtede kohal tähistavad tuletisi aja järgi. Võrrand ligikaudsuses hoolimata kirjeldab ta piisava täpsusega mulli liikumist akustiliselt juhitavas väljas kuni mulli kokkuvarisemise viimaste hetkedeni. Nii modelleerimine kui eksperimentaalsed tulemused näitavad, et kokkuvarisemise kriitilistes lõppfaasides ületab mulliseina liikumise kiirus mulli sees oleva gaasi helikiirust. Seega on mulli liikumise täpsem kirjeldamine võimalik Rayleigh-Plesseti võrrandist erineva matemaatilise mudeliga, mis võimaldab kirjeldada täiendavat energia kontsentreerimist, mida mulli sisene lööklaine võib tekitada.

Nähtuse levinuim füüsikaline kirjeldus

Sonoluminestsentsil puudub senini ühene füüsikaline kirjeldus. Hüpoteeside hulka kuuluvad: kuum täpp (ing. k hotspot), bremsstrahlung-kiirgus, kokkupõrkest põhjustatud kiirgus ja koroonalahendus, mitteklassikaline valgus, prootonite tunneleerumine, elektrodünaamilised joad ja triboluminesents (vastuolude tõttu eksperimentidega on peetakse seda ebatõenäoliseks selgituseks).

Vasakult paremale: mulli ilmumine, aeglane paisumine, kiire ja ootamatu kokkutõmbumine, valguse kiirgumine

2002. aastal avaldasid M. Brenner, S. Hilgenfeldt ja D. Lohse 60-leheküljelise ülevaate, mis nähtuse üksikasjalikku füüsikalist kirjeldust. Nähtuse juures on oluliseks teguriks mulli peamiselt inertse väärisgaasi nagu argoon või ksenoon sisaldamine ja muutuva koguse veeauru olemasolu. Õhus sisaldub ligikaudu 1% argooni ja vees lahustunud kogus on sonoluminestsentsi tekkimiseks liiga suur. Selleks tuleks kontsentratsiooni vähendada 20–40%-ni tasakaalu olukorra väärtusest. Keemilised reaktsioonid eemaldavad mullist lämmastiku ja hapniku umbes saja paisumis-varisemistsükli järel. Alles seejärel hakkab mull valgust kiirgama. Tehnoloogias kasutatakse tugevalt kokkusurutud väärisgaasi valguse kiirgamist argooni välgu seadmetes.

Mullide kokkuvarisemise ajal põhjustab neid ümbritseva vee inerts mullis kõrge rõhu ja temperatuuri. Temperatuur mulli sisemuses ulatub ligikaudu 10 000 kelvinini ning põhjustab väikese osa väärisgaasi ionisatsiooni. Ioniseeritud gaasi kogus on piisavalt vähene mulli läbipaistvuse säilitamiseks ja mahust emissiooni võimaldamiseks. Pinnaemissioon tekitaks lainepikkusest sõltuva intensiivsema ja kauem kestvama valguse, mis on vastuolus katsetulemustega. Ioniseeritud aatomite elektronid on vastasmõjus peamiselt neutraalsete aatomitega, põhjustades termilist bremsstrahlung-kiirgust. Laine jõudmine mullini tema energia miinimumis tekitab rõhu languse, mis võimaldab vabadel elektronidel aatomitega taasühineda ja vabade elektronide puudumisest tingituna valguse emissioonil lõppeda. See loob 160-picosecondilise valguse impulssi tekkimise argooni korral (isegi väike temperatuuri langus tekitab suure ionisatsiooni vähenemise tõttu suure ionisatsioonienergia võrreldes footoni energiaga). Antud füüsikaline kirjeldus on lihtsustatult pärit ülaltoodud kirjandusest. Seal leidub üksikasjalikum erinevate sammude kirjeldus, mille kestus võib erineda 15 mikrosekundist paisumise puhul kuni 100 pikosekundini emissiooni korral.

Ülevaates esitatud teoorial põhineva mudeli arvutustest saadud kiirgust kirjeldavad intensiivsuse, ajakestuse ja lainepikkuse väärtused on oodatava täpsusega kooskõlas katseteliste tulemustega (modelleerimisel eeldatakse näiteks mulli sisest ühtlast temperatuuri). Seetõttu võib öelda, et sonoluminestsentsi jaoks on olemas vähemalt ligikaudselt täpne füüsikaline mudel. Samas leiduvad detaile, mis on siiani jäänud ebaselgeks.

Iga sonoluminestsentsi käsitlus peaks hõlmama ka metastabiilsuse analüüsi. Sonoluminestsentsi võib füüsikaliselt nimetada piiratud nähtuseks. See tähendab, et sonoluminestsentsi mulli parameetrite väärtused on piiratud ja üheks selliseks parameetriks on sidestatud magnetväli. Sonoluminestsentsi magnetilised aspektid on seejuures hästi dokumenteeritud.

Konkureerivad füüsikalised kirjeldused

Kvantmehaanikast lähtuv kirjeldus

Tavapäratu palju tähelepanu saanud sonoluminestsentsi hüpotees pakkus välja tuntud füüsik Julian Schwinger. Antud hüpoteesi nimetatakse Casimiri energia hüpotees ja seda uuris põhjalikumalt Claudia Eberlein Sussexi Ülikoolist. Eberleini uurimuse järgi tekib sonoluminestsentsis valgus mulli sees olevast vaakumist läbi Hawkingi kiirgusega sarnase protsessi (ehk mustade aukude sündmuste horisondil tekkiva kiirgusega sarnasel viisil). Selle vaakumi energia seletuse kohaselt on põhinedes kvantteooriale esineb vaakumis virtuaalosakesi, mis vee ja gaasi vaheline kiiresti liikuva piirpinna poolt muudetakse virtuaalsetest footonidest tegelikeks footoniteks. Viimane on seotud Unruhi efekti või Casimiri efektiga. Antud selgituse nõrkusteks on peetud sonoluminestsentsi käigus liiga suure hulga energia liiga lühikese aja jooksul vabastamist. Samas leidub usaldusväärsed allikad, milles vaakumi energia seletust veel õigeks peetakse.

Tuumareaktsioonidest lähtuv kirjeldus

Rayleigh–Plesseti võrrandit on osade autorite poolt peetud mullide temperatuuri arvutamiseks ebausaldusväärseks. Seda põhjusel, et sonoluminestsentsi käigus mõõdetud temperatuurid võivad olla palju suuremad kui 20 000 kelvinit. Mõnedes uuringutes väidetakse mõõdetud temperatuuriks kuni 100 000 kelvinit ja oletatakse, et temperatuurid võivad ulatuda ka miljonitesse kelvinitesse. Sellistel temperatuuridel võib käivituda termotuumareaktsioon. Seda võimalikku nähtust nimetatakse mõnikord ka mulli tuumasünteesiks ja seda võrreldakse termotuumarelvades kasutatava implosiooni tehnikaga.

27. jaanuaril 2006 väitsid Rensselaeri polütehnikumi instituudi teadlased, et nad on sonoluminestsentsi katsetes tekitanud termotuumasünteesi.

Bioloogilist päritolu sonoluminestsents

Naksurkrevetlased tekitavad teatud tüüpi kavitatsiooni luminestsentsi, mille põhjustab nende sõra kiire sulgumine. Antud sulgumisel loodav kavitatsioonimulli on mõõdetud tekitama 4 cm kaugusel sõrast kuni 80 kPa helirõhku (vastav helirõhutase on 218 dB re 1 μPa). Sõrast väljudes on mulli kiiruseks täheldatud 97 km/h. Tekkiv rõhk võib olla piisav väikeste kalade tapmiseks või uimastamiseks. Seejuures on tekkiv valgus väiksema intensiivsusega tüüpilise sonoluminestsentsi tekitatud valgusest ja ei ole silmaga järlgitav. Tekitatud valgusel ja kuumusel ei pruugi olla otsest tähtsust, kuna vaid kaviteeruva mulli tekitatud lööklaine on vajalik saagi uimastamiseks või tapmiseks. Siiski on see esimene teadaolev juhtum, kus loom tekitab valgust sellisel viisil ja seetõttu on nähtust pärast avastamist 2001. aastal nimetatud "krevettluminestsentsiks".

Vaata ka

• Valgusallikate loetelu
• Sonokeemia
• Akustiline laine

Välislingid

• Sonoluminestsentsi katse üksikasjalik kirjeldus
• Video kokkuvarisevast mullist (934 kB)
• Krevettluminestsents
• Sonokeemia rakendused