Sonoluminestsents: erinevus redaktsioonide vahel

[[Fail:Single_bubble_cropped.jpg|paremal|pisi| Üksiku mulli sonoluminestsents -– üksik kaviteeruv mull.]]

'''Sonoluminestsents''' on [[füüsikaline nähtus]], milles vedelikus olevad [[Mull|mullid]] [[Implosioon|implodeerumise]] käigus heliga ergastades kiirgavad lühiajaliselt [[Valgus|valgustvalgus]]t.

Sonoluminestsentsi vaadeldi esmakordselt 1934. aastal [[Kölni ülikool|Kölni ülikoolis]]is [[Sonar|sonarigasonar]]iga seotud uurimiste käigus.<ref>{{Cite journal|title=Single Bubble Sonoluminsescence|journal=APS Northwest Section Meeting Abstracts|pages=D1.007|kuupäev=2003|bibcode=2003APS..NWS.D1007F}}</ref> H. Frenzel ja H. Schultes asetasid ultraheli [[Muundur|muunduri]] fotode [[Ilmutusvedelik|ilmutusvedeliku]] paaki. Sellega lootsid nad fotode ilmutamise protsessi kiirendada. Soovitud tulemuse asemel märkasid nad pärast [[Filmilint|filmide]] ilmutamist fotodel pisikesi täppe ja mõistsid, et mullid vedelikus kiirgasid [[ultraheli]] sisselülitamise korral valgust.<ref>H. Frenzel and H. Schultes, ''Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser'' Zeitschrift für Physikalische Chemie International journal of research in physical chemistry and chemical physics, Published Online: 2017-01-12 | DOI: https://doi.org/10.1515/zpch-1934-0137</ref> Esimestes katsetes oli ultraheli mõju raske analüüsida, kuna tegemist oli keerulise arvukate lühiajaliselt eksisteerivate mullidega keskkonnaga. Praegu nimetatakse seda nähtust mullikogumi sonoluminestsentsiks.

Aastal 1960. aastal pakkus Peter Jarman [[Imperial College London|Londoni Imperial College'ist]] välja kõige usaldusväärsema sonoluminestsentsi kirjeldava teooria. Ta jõudis järeldusele, et sonoluminestsents on oma olemuselt [[Termiline energia|termilise]] päritoluga ja see võib tuleneda õõnsuste kokku varisemisel tekkivatest väikestest [[Lööklaine|lööklainetest]].<ref>{{Cite journal|last=Jarman|first=Peter|title=Sonoluminescence: A Discussion|journal=The Journal of the Acoustical Society of America|volume=32|issue=11|pages=1459–1462|kuupäev=1960-11-01|bibcode=1960ASAJ...32.1459J|doi=10.1121/1.1907940|issn=0001-4966}}</ref>

[[Eksperimentaalfüüsika|Eksperimentaalne]] edasiminek toimus 1989. aastal, kui suudeti korratavalt tekitada üksiku mulli sonoluminestsentsi. Üksiku mulli sonoluminestsentsil kiirgab akustilisse [[Seisulaine|seisulainesseseisulaine]]sse 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 [[Teras|terase]] sulatamiseks). Aastal 2012. aastal tehtud katses mõõdeti [[Implosioon|implosioonilimplosioon]]il mulli sisemiseks temperatuuriks ligikaudu 12 000 [[Kelvin|kelvininitkelvin]]it.<ref>{{Cite journal|title=Nonequilibrium vibrational excitation of OH radicals generated during multibubble cavitation in water|journal=The Journal of Physical Chemistry A|volume=116|issue=20|pages=4860–7|kuupäev=May 2012|bibcode=2012JPCA..116.4860N|doi=10.1021/jp301989b|pmid=22559729}}</ref> Sonoluminestsentsi vastu tekkis uuesti suurem huvi, kui postuleeriti sellise mulli [[Temperatuur|sisetemperatuuriks]] üle miljoni [[Kelvin|kelvinini]].<ref>{{Cite journal|last=Moss|first=William C.|title=Hydrodynamic simulations of bubble collapse and picosecond sonoluminescence|journal=Physics of Fluids|volume=6|issue=9|pages=2979–2985|kuupäev=September 1994|last2=Clarke|first2=Douglas B.|last3=White|first3=John W.|last4=Young|first4=David A.|bibcode=1994PhFl....6.2979M|doi=10.1063/1.868124|issn=1070-6631}}</ref> Sellise temperatuuri esinemist pole seninin tõestatud. Hiljutised katsed viitavad temperatuuridele suurusjärgus 20 000 [[Kelvin|K]] (19 700 [[Celsiuse skaala|° C]]; 35 500 [[Fahrenheiti skaala|° F]]).<ref name="Illinois">{{Cite web|url=http://news.illinois.edu/news/05/0302bubbles.html|title=Temperature inside collapsing bubble four times that of sun &#124; Archives &#124; News Bureau &#124; University of Illinois|publisher=News.illinois.edu|kuupäev=2005-02-03|vaadatud=2012-11-14}}</ref>

[[Fail:Sonoluminescence.jpg|paremal|pisi| Pika säriajaga tehtud foto mullikogumi sonoluminestsentsist, mille ergastab katseklaasi vedelikku kiiratud kõrgesuure intensiivsusega [[ultraheli]]]]

* Mullid on valguse kiirgamise hetkel väga väikesed, ligikaudu 1 ühe[[Mikromeeter|mikromeetrise]] läbimõõduga. Läbimõõt sõltub ümbritsevast vedelikust (tavajuhul vesi) ja mulli gaasisisaldusest (nt [[Atmosfäär|atmosfääri õhk]]).

* Üksiku mulli sonoluminestsentsi impulssidimpulsid võivad esineda väga stabiilse [[Periood|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 [[Bjerknese jõud|Bjerknesi jõudude]] ja [[Rayleigh–TayloriRayleigh'-Taylori ebastabiilsus|Rayleigh–TayloriRayleigh'-Taylori ebastabiilsusest]] tingituna.

Spektraalsed mõõtmised on mullide temperatuuriks andnud vahemiku {{Val|2300}} K kuni –{{Val|5100}} K ja täpne temperatuur sõltub katsetingimustest, sealhulgas vedeliku ja gaasi koostistest.<ref name="flannigan">{{Cite journal|title=Effect of noble gases on sonoluminescence temperatures during multibubble cavitation|journal=Physical Review Letters|volume=84|issue=4|pages=777–80|kuupäev=January 2000|bibcode=2000PhRvL..84..777D|doi=10.1103/PhysRevLett.84.777|pmid=11017370}}</ref> 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 [[Plasma|plasmade]] moodustumisel. Kasutades katsetes [[Argoon|argooni]] mulle [[Väävelhape|väävelhappes]], näitavad katsetulemused ioniseeritud molekulaarse hapniku O₂⁺, [[Vääveloksiid|väävelmonoksiidi]] ja aatomilise argooni olemasolu kõrge energiaga ergastatud olekutes. See kinnitab hüpoteesi mullide kuumast plasmaga südamikust.<ref>{{Cite journal|url=https://zenodo.org/record/895438|title=Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation|journal=Nature|volume=434|issue=7029|pages=52–5|kuupäev=March 2005|bibcode=2005Natur.434...52F|doi=10.1038/nature03361|pmid=15744295}}</ref> [[Osooniid|Dioksügenüüli]] (O₂⁺) [[Ioon|katioonide]] [[Ionisatsioon|ionisatsiooni]] ja [[Ergastatud olek|ergastuse]] energiaks, mõõdeti katses 18 [[Elektronvolt|elektronvolti]]. Sellest järeldadavadjäreldavad uurijad, et mulli südamiku temperatuur tõuseb vähemalt 20 000 kelvinini<ref name="Illinois">{{Cite web|url=http://news.illinois.edu/news/05/0302bubbles.html|title=Temperature inside collapsing bubble four times that of sun &#124; Archives &#124; News Bureau &#124; University of Illinois|publisher=News.illinois.edu|kuupäev=2005-02-03|vaadatud=2012-11-14}}</ref>, mis on kuumem [[Päike|päikese]] pinna temperatuurist.

== Rayleigh – '-Plesseti võrrand ==

Mulli liikumise dünaamikat kirjeldab esimeses lähenduses Rayleigh – '-Plesseti võrrand (nimenimi tuleneb [[John William Strutt, kolmas parun Rayleigh|parun Rayleigh'iltlt]] ja [[Milton S. Plesset|Milton Plessetilt]]):

See on ligikaudne võrrand, mis on tuletatud [[Navier'-Stokesi võrrandid|Navier'-Stokesi võrranditest]] [[Sfäärilised koordinaadid|sfäärilistes koordinaatides]] ja kirjeldab mulli raadiuse ''R'' muutumist aja ''t'' funktsioonina. Lisaks tähistavad võrrandis ''μ'' [[Viskoossus|viskoossust]], ''p'' [[Rõhk|rõhku]] ja ''γ'' [[Pindpinevus|pindpinevust]]. Punktid tähtede kohal tähistavad tuletisi aja järgi. Võrrand ligikaudsuses hoolimata kirjeldab ta piisava täpsusega mulli liikumist [[Akustika|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.<ref name="pmid10046927">{{Cite journal|title=Light scattering measurements of the repetitive supersonic implosion of a sonoluminescing bubble|journal=Physical Review Letters|volume=69|issue=26|pages=3839–3842|kuupäv=December 1992|bibcode=1992PhRvL..69.3839B|doi=10.1103/PhysRevLett.69.3839|pmid=10046927}}</ref> 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.

2002. aastal avaldasid M. Brenner, S. Hilgenfeldt ja D. Lohse 60-leheküljelise ülevaate, mis nähtuse üksikasjalikku füüsikalist kirjeldust.<ref>{{Cite journal|url=https://research.utwente.nl/en/publications/single-bubble-sonoluminescence(ef18245b-e923-4f90-a6be-7b1189c34232).html|title=Single-bubble sonoluminescence.|journal=Reviews of Modern Physics|volume=74|issue=2|pages=425–484|kuupäv=May 2002|bibcode=2002RvMP...74..425B|doi=10.1103/RevModPhys.74.425}}</ref> Nähtuse juures on oluliseks teguriks mulli peamiselt inertse väärisgaasi nagu(nt argoonargooni või ksenoonksenooni) sisaldamine ja muutuva koguse [[Veeaur|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 [[Lämmastik|lämmastiku]] ja [[Hapnik|hapniku]] umbes saja paisumis-varisemistsükli järel. Alles seejärel hakkab mull valgust kiirgama.<ref>{{Cite journal|title=Evidence for gas exchange in single-bubble sonoluminescence.|journal=Physical Review Letters|volume=80|issue=4|pages=865–868|kuupäev=January 1998|bibcode=1998PhRvL..80..865M|doi=10.1103/PhysRevLett.80.865}}</ref> [[Tehnoloogia|Tehnoloogias]] kasutatakse tugevalt kokkusurutud väärisgaasi valguse kiirgamist [[Argooni välk|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 [[Lainepikkus|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-picosecondilisepikosekundilise 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<ref>{{Cite journal|url=https://research.utwente.nl/en/publications/single-bubble-sonoluminescence(ef18245b-e923-4f90-a6be-7b1189c34232).html|title=Single-bubble sonoluminescence.|journal=Reviews of Modern Physics|volume=74|issue=2|pages=425–484|kuupäev=May 2002|bibcode=2002RvMP...74..425B|doi=10.1103/RevModPhys.74.425}}</ref> 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.

Tavapäratu palju tähelepanu saanud sonoluminestsentsi hüpotees pakkus välja tuntud füüsik [[Julian Schwinger]]<ref>{{Cite web|last=Schwinger|first=Julian|url=http://www.infinite-energy.com/iemagazine/issue1/colfusthe.html|title=Cold Fusion: A History of Mine|publisher=Infinite-energy.com|kuupäev=1989-03-23|vaadatud=2012-11-14}}</ref>. AntudSeda hüpoteesi nimetatakse Casimiri energia hüpotees ja seda uuris põhjalikumalt [[Claudia Eberlein]] [[Sussexi Ülikool|Sussexi Ülikoolist]]<ref>{{Cite journal|url=https://pdfs.semanticscholar.org/27f5/25c6fca3f8eff0605a6f71c75ce2a677ce7e.pdf|title=Theory of quantum radiation observed as sonoluminescence.|journal=Physical Review A|volume=53|issue=4|pages=2772–2787|kuupäev=Aprill 1996|arxiv=quant-ph/9506024|bibcode=1996PhRvA..53.2772E|doi=10.1103/PhysRevA.53.2772|pmid=9913192}}</ref>. Eberleini uurimuse järgi tekib sonoluminestsentsis valgus mulli sees olevast vaakumist läbi [[Hawkingi radiatsioon|Hawkingi kiirgusega]] sarnase protsessi (ehk [[Must auk|mustade aukude]] [[Sündmuste horisont|sündmuste horisondil]] tekkiva kiirgusega sarnasel viisil). Selle vaakumi energia seletuse kohaselt on põhinedes kvantteooriale esineb vaakumis [[Virtuaalne osake|virtuaalosakesi]], mis vee ja gaasi vahelinevahelise kiiresti liikuva piirpinna poolt muudetakse virtuaalsetest footonidestfootonitest tegelikeks footoniteks. Viimane on seotud [[Unruh' efekt|UnruhiUnruh' efekti]] või [[Casimiri efekt|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.

Rayleigh–PlessetiRayleigh'-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.<ref name="pmid18851095">{{Cite journal|title=Time-resolved spectra of single-bubble sonoluminescence in sulfuric acid with a streak camera|journal=Physical Review E|volume=78|issue=3 Pt 2|pages=035301|kuupäev=September 2008|bibcode=2008PhRvE..78c5301C|doi=10.1103/PhysRevE.78.035301|pmid=18851095|lay-url=https://web.archive.org/web/20131212070822/http://www.nature.com/nchina/2008/081015/full/nchina.2008.241.html|lay-source=Nature China}}</ref> Sellistel temperatuuridel võib käivituda [[termotuumareaktsioon]]. Seda võimalikku nähtust nimetatakse mõnikord ka [[Mullide kokkusulamine|mulli tuumasünteesiks]] ja seda võrreldakse [[Termotuumarelv|termotuumarelvades]] kasutatava [[Implosioon|implosiooni]] tehnikaga.

[[Naksurkrevetlased]] tekitavad teatud tüüpi kavitatsiooni luminestsentsi, mille põhjustab nende sõra kiire sulgumine. Antud sulgumisel loodav kavitatsioonimulli on mõõdetud tekitama 4 cm kaugusel&nbsp;sõrast kuni 80 [[Paskal|kPa]] [[Helirõhk|helirõhku]] (vastav [[helirõhutase]] on 218 [[Detsibell|dB]] re 1 μPa). Sõrast väljudes on mulli kiiruseks täheldatud 97&nbsp;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 järlgitavjälgitav. 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".<ref>{{Cite journal|title=Snapping shrimp make flashing bubbles|journal=Nature|volume=413|issue=6855|pages=477–8|kuupäev=October 2001|bibcode=2001Natur.413..477L|doi=10.1038/35097152|pmid=11586346}}</ref>