Sonoluminestsents

Sonoluminestsents on füüsikaline nähtus, milles vedelikus olevad mullid implosiooni käigus heliga ergastamisel kiirgavad lühiajaliselt valgust.

Üksiku mulli sonoluminestsents – üksik kaviteeruv mull

Ajalugu

Sonoluminestsentsi vaadeldi esmakordselt 1934. aastal Kölni ülikoolis katsetes sonariga. H. Frenzel ja H. Schultes asetasid ultraheli muunduri fotode ilmutusvedeliku paaki. Sellega lootsid nad fotode ilmutamist kiirendada. Soovitud tulemuse asemel märkasid nad pärast filmide ilmutamist fotodel pisikesi täppe ja mõistsid, et vedelikus olevad mullid kiirgasid ultraheli mõjumise korral valgust. Selliste katsete puhul piiras ultraheli mõju täpsemat analüüsi mullide suur hulk ja lühiajaline eksisteerimine. Tänapäeval nimetatakse antud nähtust mullikogumi sonoluminestsentsiks.

1960. aastal pakkus Peter Jarman Londoni Imperial College'ist välja usaldusväärseima sonoluminestsentsi kirjeldava teooria. Ta jõudis järeldusele, et sonoluminestsents on termilise päritoluga ja see võib tuleneda mullide implosioonil tekkivatest väikestest lööklainetest.

Nähtuse uuringutes toimus eksperimentaalne edasiminek 1989. aastal, kui suudeti korratavalt tekitada üksiku mulli sonoluminestsentsi. Üksiku mulli sonoluminestsentsil tekitatakse velikus akustiline seisulaine, milles sinna "kinni jäänud" üksik mull kiirgab valgusimpulsse iga seisulaine mulli kokkusurumise korral. Antud eksperimendid võimaldasid vaadelda esinevaid keerukaid mõjusid ühel stabiilsel, mõõdetava käitumisega mullil. Katsetest ilmnes, et mulli äärmiselt kõrge sisemine temperatuur, mis on piisav terase sulatamiseks. Näiteks kõrgest temperatuurist mõõdeti 2012. aastal tehtud katses mulli sisemiseks temperatuuriks ligikaudu 12 000 kelvinit. Seejuures on mulli sisetemperatuuriks postuleeritud ka üle miljoni kelvinini. Hiljutised katsed viitavad siiski temperatuuridele suurusjärgus 20 000 K (19 700 °C).

Omadused

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

Sonoluminestsents esineb, kui piisava intensiivsusega helilaine tekitatud surve viib vedelas keskkonnas olevat gaasilise õõnsuse implosioonini. Õõnsuseks võib olla juba eelnevalt olemasolev mull, mis võis tekkida näiteks kavitatsiooni käigus. Labori tingimustes on võimaliks sonoluminestsentsi esinemine muuta korratavaks. Sel juhul on vedelikus üksik mull, mis suureneb ja variseb perioodiliselt ja korratavalt kokku. Seejuures eraldab mull iga kokku varisemise ajal valgusepuhangu. Sellise olukorra esile kutsumiseks tekitatakse vedelikus akustiline seisulaine ja mull asub seisulaine rõhu paisupunktis. Mulli resonantsi sagedused sõltuvad vedelikku sisaldava anuma kujust ja suurusest.

Fakte sonoluminestsentsi kohta

Katsete käigus on mõõdetud sonoluminesentsi erinevaid omadusi. Sealhulgas on ilmnenudː

• Mullid kiirgavad valgust 35 kuni paarsada pikosekundit.
• Kiiratava valguse intensiivsuse tippväärtus on suurusjärgus 1–10 mW.
• Mullid on valguse kiirgamise hetkel väikese, ligikaudu mikromeetrise läbimõõduga. Seejuures sõltub läbimõõt ümbritsevast vedelikust (tavajuhul vesi) ja mulli gaasisisaldusest (nt atmosfääri õhk).
• Üksiku mulli sonoluminestsentsi impulsid võivad esineda väga stabiilse perioodiga ja kindlas asukohas. Valgussähvatuste sagedus võib olla stabiilsem, kui ultrahelilaineid tekitava seadme nimisageduse stabiilsusest. Mulli stabiilsuse analüüsid näitavad, et mull ise allub märkimisväärsetele geomeetrilistele ebastabiilsustele. Ebastabiilsused on tingitud näiteks Bjerknesi jõudude ja Rayleigh'-Taylori ebastabiilsustest.
• Väikese koguse väärisgaasi (näiteks heeliumi, argooni või ksenooni) lisamine mulli gaasi koostisse suurendab kiiratava valguse intensiivsust.

Spektraalsed mõõtmised on mullide temperatuuriks andnud vahemiku 2300–5100 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 kõrge energiaga ergastatud olekutes ioniseeritud molekulaarse hapniku O₂⁺, väävelmonoksiidi ja aatomilise argooni olemasolu. See kinnitab hüpoteesi mullide kuumast plasmaga südamikust. Dioksügenüüli (O₂⁺) katioonide ionisatsiooni ja ergastuse energiaks, mõõdeti katses 18 elektronvolti. Sellest järeldavad uurijad, et mulli südamiku temperatuur tõuseb vähemalt 20 000 kelvinini, mis on kuumem päikese pinna temperatuurist.

Rayleigh'-Plesseti võrrand

Mulli dünaamikat kirjeldab lihtsustatud kuul Rayleigh'-Plesseti võrrand (nimi tuleneb parun Rayleigh'lt ja Milton Plessetilt):

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

Tegemist on ligikaudse diferentsiaalvõrrandiga (punktid tähtede kohal tähistavad tuletisi aja järgi), 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. Antud võrrandi kirjeldab piisava täpsusega mulli dünaamikat akustilises väljas kuni mulli kokkuvarisemise viimaste hetkedeni. Modelleerimine ja eksperimendid näitavad, et kokkuvarisemise kriitilistes lõppfaasides ületab mulli seina liikumiskiirus mulli sees oleva gaasi helikiirust. Seetõttu peab mulli dünaamika täpsem kirjeldamiseks kasutama Rayleigh'-Plesseti võrrandist erinevat matemaatilist mudelit, mis võimaldaks kirjeldada mulli sisene lööklaine poolt esile kutsutud täiendavat energia koondumist.

Nähtuse levinuim füüsikaline kirjeldus

Sonoluminestsentsil puudub senini laialdaselt aktsepteeritud füüsikaline kirjeldus. Hüpoteeside hulka kuuluvad: kuum täpp (ing. k hotspot), bremsstrahlung-kiirgus, kokkupõrkest põhjustatud kiirgus ja koroonalahendus, mitteklassikaline valgus, prootonite tunneleerumine, elektrodünaamilised joad ja triboluminestsents (vastuolude tõttu eksperimentidega peetakse triboluminestsentsi 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 sisaldas nähtuse üksikasjalikku füüsikalist kirjeldust. Vastavalt ülevaatele on nähtuse juures oluliseks teguriks mulli väärisgaasi (nt argooni või ksenooni) sisaldamine ja muutuva koguse veeauru olemasolu. Õhus sisaldub ligikaudu 1% argooni ja tavapäraselt on vees lahustunud kogus sonoluminestsentsi jaoks liiga suur. Sonoluminestsentsiks peaks kontsentratsioon vähenema 20–40%-ni tasakaalu olekus esinevast väärtusest. Keemiliste reaktsioonide toimel eemaldatakse umbes saja paisumis-varisemistsükli järel mullist lämmastik ja hapnik. Alles pärast lämmastiku ja hapniku eemaldamist hakkab mull valgust kiirgama. Tehnoloogias kasutatakse valgust kiirgavat tugevalt kokkusurutud väärisgaasi näiteks 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 väike, et mull säilitaks läbipaistvuse ja võimaldaks mahust valguse emissiooni. Pinnaemissioon tekitaks lainepikkusest sõltuva katsetes jälgitavast intensiivsema ja kauem kestvama valguse. 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. Sellisel juhul tekib 160-pikosekundilise valguse impulss, kui väärisgaasiks on argoon. Nähtuse üksikasjalikum füüsikaline kirjeldus leidub M. Brenner, S. Hilgenfeldt ja D. Lohse ülevaates . Antud ülevaates leidub nähtuse lühema kestusega etappide kirjeldus. Etappide kestus võib erineda 15 mikrosekundist paisumise puhul kuni 100 pikosekundini emissiooni korral.

Lisaks leidub ülevaade, milles esitatud teoorial põhineva mudeli arvutused kiirguse intensiivsuse, ajakestuse ja lainepikkuste väärtuse kohta langevad oodatava täpsusega kokku katsetes mõõdetud tulemustega (modelleerimisel eeldatakse näiteks mulli sisest ühtlast temperatuuri). Seetõttu võib öelda, et sonoluminestsentsi jaoks on olemas vähemalt ligikaudselt täpne füüsikaline mudel. Samas leidub tänapäevani detaile, mille kirjeldamisega on raskusi. Nimelt peaks iga sonoluminestsentsi käsitlus 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

Rohkelt tähelepanu pälvinud sonoluminestsentsi kirjeldava hüpoteesi esitas füüsik Julian Schwinger. Tema hüpoteesi nimetatakse Casimiri energia hüpoteesiks ja seda uuris põhjalikumalt Claudia Eberlein Sussexi Ülikoolist. Eberleini selgituste järgi tekib sonoluminestsentsis valgus mulli sees olevast vaakumist Hawkingi kiirgusega sarnase protsessi käigus (ehk mustade aukude sündmuste horisondil tekkiva kiirgusega sarnasel viisil). Selle vaakumi energia hüpoteesi kohaselt võib kvantteooriale järgi muutuvad vaakumis esinevad virtuaalosakesed (antud juhul virtuaalsed footonid) vee ja gaasi vahelisel kiiresti liikuva piirpinna tõttu tegelikeks osakesteks (antud juhul footoniteks). Viimane on seotud Unruh' efekti või Casimiri efektiga. Antud selgituse nõrkusteks on peetud sonoluminestsentsi käigus liiga suure hulga energia eraldumist liiga lühikese aja jooksul. Samas leidub usaldusväärsed allikad, mille järgi vaakumi energia selgitust ei ole praeguseni ümber lükatud.

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. Antud võimalikku nähtust nimetatakse mõnikord ka mulli tuumasünteesiks ja seda võrreldakse termotuumarelvades kasutatava implosiooniga.

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

Bioloogilist päritolu sonoluminestsents

Naksurkrevetlased tekitavad teatud tüüpi luminestsentsi kavitatsiooni käigus, mille põhjustab nende sõra kiire sulgumine. Vastavalt mõõtmistele tekitab sulgumisel loodav kavitatsioonimulli 4 cm kaugusel sõrast kuni 80 kPa suurust helirõhku (vastav helirõhutase on 218 dB re 1 μPa). Sõrast eemaldudes on mulli kiiruseks mõõdetud 97 km/h. Tekkiv rõhk võib olla piisav väikeste kalade tapmiseks või uimastamiseks. Seejuures eralduv valgus on väiksema intensiivsusega tüüpilise sonoluminestsentsi tekitatud valgusest ja ei ole inimsilmaga nähtav. 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 olukord, kus loom tekitab valgust sellisel viisil ja seetõttu on nähtust pärast avastamist 2001. aastal nimetatud "krevettluminestsentsiks".

Vaata ka

• Valgusallikate loetelu
• Sonokeemia
• Helilaine

Välislingid

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