Просмотр кода страницы Сонолюминесценция

'''Сонолюминесце́нция''' — явление возникновения вспышки [[свет]]а при схлопывании [[кавитация|кавитационных]] пузырьков, рождённых в [[жидкость|жидкости]] мощной [[ультразвук]]овой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней [[Стоячая волна|стоячую]] сферическую [[ультразвук]]овую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий точечный источник голубоватого света — [[звук]] превращается в свет.

== История и ранние исследования ==
Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в [[1930-е]] годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.
[[Файл:Sonoluminescence.png|center|600px|thumb|Слева направо: появление пузырька, медленное расширение, быстрое и внезапное схлопывание, испускание света.]]
В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:
* Стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде очень низкое давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию [[кавитация|кавитационного]] пузырька.
* В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся  очень низким), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.
* В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также [[сила поверхностного натяжения]].
* В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается с частотой звуковой волны (миллионы раз в секунду для МГц частот), мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.
* Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде, но наблюдается и в других жидкостях, включая жидкие металлы<ref>{{статья|автор=A. Troia, D. Madonna Ripa|заглавие=Sonoluminescence in Liquid Metals|ссылка=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp311335m|язык=en|издание=[[The Journal of Physical Chemistry C]]|год=26 февраля 2013|volume=117|номер=11|pages=5578—5583|issn=1932-7447|doi=10.1021/jp311335m}}</ref>.
* Небольшая концентрация [[инертный газ|инертных газов]], растворённых в воде, существенно усиливает эффект.
* Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.
* Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий [[спектр]], без каких-либо отдельных [[Спектральная линия|спектральных линий]]. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения [[абсолютно чёрное тело|абсолютно чёрного тела]] с [[температура|температурой]] порядка сотен тысяч [[кельвин]].

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

== Однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценция ==
В 1990-х годах было открыто явление ''многопузырьковой сонолюминесценции''. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть ''однопузырьковой сонолюминесценцией''.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре<ref>{{статья|автор=T. J. Matula, R. A. Roy, P. D. Mourad, W. B. McNamara, K. S. Suslick |заглавие=Comparison of Multibubble and Single-Bubble Sonoluminescence Spectra|ссылка=http://prl.aps.org/abstract/PRL/v75/i13/p2602_1|язык=en|издание=[[Phys. Rev. Lett.]]|год=25 сентября 1995|volume=75|номер=13|pages=2602—2605|issn=0031-9007}}</ref>. Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000—5000 кельвин<ref>{{статья|автор=W. B. McNamara, Y. T. Didenko, K. S. Suslick|заглавие=Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation|ссылка=http://www.nature.com/nature/journal/v401/n6755/full/401772a0.html|язык=en|издание=[[Nature]]|год=21 октября 1999|номер=401|pages=772—775|issn=0028-0836|archive-date=2010-05-15|archive-url=https://web.archive.org/web/20100515042246/http://www.nature.com/nature/journal/v401/n6755/full/401772a0.html}}</ref>.

Резкое отличие спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции привело к появлению точки зрения, что речь идёт о совершенно разных явлениях. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции<ref>{{статья|автор=O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, G. A. Williams|заглавие=Spectrum of Luminescence from Laser-Created Bubbles in Water|ссылка=http://prl.aps.org/abstract/PRL/v86/i21/p4934_1|язык=en|издание=[[Phys. Rev. Lett.]]|год=21 мая 2001|volume=86|номер=21|pages=4934—4937|issn=0031-9007}}</ref>. После этих работ стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить [[фотон]]<ref name="0031-9007">{{статья|автор=K. Yasui|заглавие=Single-Bubble and Multibubble Sonoluminescence|ссылка=http://prl.aps.org/abstract/PRL/v83/i21/p4297_1|язык=en|издание=[[Phys. Rev. Lett.]]|год=22 ноября 1999|volume=83|номер=21|pages=4297—4300|issn=0031-9007}}</ref>.

== Теоретическая модель ==
{{Нет ссылок в разделе|дата=2015-11-02}}
Итак, если природа света тепловая, то необходимо объяснить, за счёт чего достигаются столь высокие температуры.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом.
* При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядки, то есть до нескольких тысяч кельвинов.
* Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь сильно зависит от того, какой газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.
* Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти не меняется, в то время как давление насыщенных паров воды резко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.
* Ясно, что начальный пузырёк имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удаётся всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывается на конечной температуре.
* В случае однопузырьковой сонолюминесценции на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1—1,5 км/с, что в 3—4 раза превышает [[скорость звука]] в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся [[ударная волна]], которая потом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффективно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M² раз, где М — [[число Маха]]. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

=== Модель Швингера ===
Необычное объяснение эффекта сонолюминесценции, принадлежащее [[Швингер]]у<ref>{{статья|автор=[[Швингер, Джулиан|Julian Schwinger]]|заглавие=Cold fusion theory: A brief history of mine|ссылка=http://www.infinite-energy.com/iemagazine/issue1/colfusthe.html|язык=en|издание=[[Infinite Energy]]|год=Март-апрель 1995|выпуск=|volume=1|номер=1|страницы=|pages=10—14|issn=1081-6372|archive-date=2008-09-25|archive-url=https://web.archive.org/web/20080925044806/http://www.infinite-energy.com/iemagazine/issue1/colfusthe.html}}</ref>, основано на рассмотрении изменений вакуумного состояния электромагнитного поля в пузырьке в процессе быстрого изменения формы последнего, с точки зрения, близкой к тому, что применяется обычно при описании [[эффект Казимира|эффекта Казимира]], когда рассматривается вакуумное состояние электромагнитного поля в плоском конденсаторе, зависящее от граничных условий, определяемых пластинами. (См. также [[Эффект Унру]]). Более подробно этот подход был развит в работе Клаудии Эберлейн (Claudia Eberlein)<ref>{{статья|автор=Claudia Eberlein|заглавие=Sonoluminescence as Quantum Vacuum Radiation|ссылка=http://prl.aps.org/abstract/PRL/v76/i20/p3842_1|язык=en|издание=[[Phys. Rev. Lett.]]|год=3 мая 1996|выпуск=|volume=76|номер=20|pages=3842—3845|issn=0031-9007}}</ref><ref>{{статья|автор=Claudia Eberlein|заглавие=Theory of quantum radiation observed as sonoluminescence|ссылка=http://pra.aps.org/abstract/PRA/v53/i4/p2772_1|язык=en|издание=[[Phys. Rev. A]]|год=Апрель 1996|volume=53|номер=4|pages=2772—2787|issn=1050-2947}} (см. также на [http://arxiv.org/abs/quant-ph/9506024v1 arXiv.org] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/quant-ph/9506024v1 |date=20220621191525 }})</ref>.

Если это верно, то сонолюминесценция — первый пример, в котором прямо экспериментально наблюдается излучение, связанное с изменением вакуумного состояния.

Высказывались аргументы в пользу того, что сонолюминесценция связана с преобразованием слишком большой энергии в слишком малое время, чтобы согласоваться с упомянутым объяснением<ref>{{статья|автор=Kimball A. Milton|заглавие=Dimensional and Dynamical Aspects of the Casimir Effect: Understanding the Reality and Significance of Vacuum Energy|ссылка=http://arxiv.org/abs/hep-th/0009173v1|язык=en|тип=препринт|издательство=[[arXiv.org]]|год=21 сентября 2000}}</ref>. Однако другие заслуживающие доверия источники приводят доводы за то, что объяснение через вакуумную энергию может всё же оказаться верным<ref>{{статья|автор=S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser|заглавие=Comment on «Dimensional and dynamical aspects of the Casimir effect: understanding the reality and significance of vacuum energy»|ссылка=http://arxiv.org/abs/hep-th/0010140v1|язык=en|издательство=[[arXiv.org]]|год=17 октября 2000|издание=|archive-date=2022-01-29|archive-url=https://web.archive.org/web/20220129150140/https://arxiv.org/abs/hep-th/0010140v1}}</ref>.
<!--
Из англ. статьи:

== Exotic proposals ==
An unusually exotic theory of sonoluminescence, which has received much popular attention, is the Casimir energy theory suggested by noted physicist [[Julian Schwinger]]<ref name=autogenerated3 /> and more thoroughly considered in a paper by [[Claudia Eberlein]]<ref name=autogenerated2 /> of the [[University of Sussex]]. Eberlein’s paper suggests that the light in sonoluminescence is generated by the vacuum within the bubble in a process similar to [[Hawking radiation]], the radiation generated by the edges of [[black hole]]s. Quantum theory holds that vacuum contains [[virtual particle]]s, and the rapidly moving interface between water and gas converts virtual photons into real photons. This is related to the [[Unruh effect]] or the [[Casimir effect]].

If true, sonoluminescence may be the first observable example of [[Vacuum state|quantum vacuum radiation]].

The argument has been made that sonoluminescence releases too large an amount of energy and releases the energy on too short a time scale to be consistent with the vacuum energy explanation<ref>K.A. Milton, «Dimensional and dynamical aspect of the
Casimir effect: understanding the reality and significance
of vacuum energy», hep-th/0009173 (2000) http://arxiv.org/abs/hep-th/0009173</ref>, although other credible sources argue the vacuum energy explanation might yet prove to be correct.<ref name=autogenerated1 />
-->

== Применения сонолюминесценции ==
{{нет ссылок|В этом разделе|дата=2014-01-07}}

Кроме чисто научного интереса, связанного с пониманием поведения жидкости при подобных условиях,
исследования по сонолюминесценции могут иметь и прикладные применения. Перечислим некоторые из них.

* '''Сверхминиатюрная химическая лаборатория'''. Растворённые в воде реагенты будут присутствовать в плазме во время сонолюминесцентной вспышки. Варьируя параметры эксперимента, можно контролировать концентрацию реагентов, а также температуру и давление в этой сферической «микропробирке». Среди недостатков такой методики можно назвать
** довольно ограниченное окно прозрачности воды, что затрудняет наблюдение реакции
** невозможность избавиться от присутствия молекул воды и их элементов, в частности от гидроксил-ионов.
* Достоинствами методики являются
** лёгкость, с которой удаётся создавать высокие температуры реакционной смеси.
** возможность проводить сверхкороткие по времени эксперименты, на масштабах [[пикосекунда|пикосекунд]].

* '''Возможность [[Ультразвуковой термояд|запуска термоядерной реакции]]'''. Некоторые экспериментальные группы ([[Талейархан, Рузи|Рузи Талейархан]]) утверждают, что смогли достичь в сонолюминесцентной вспышке температур порядка миллионов кельвинов, наблюдая при этом продукты [[термоядерная реакция|термоядерной реакции]]. Подтверждение результатов этих экспериментов позволило бы получить компактный [[Управляемый термоядерный синтез|термоядерный реактор]]. Ситуация, однако, остаётся спорной и требует дальнейшего исследования.

== См. также ==
* [[Люминесценция]]
* [[Флуоресценция]]
* [[Фосфоресценция]]
* [[Биолюминесценция]]
* [[Хемилюминесценция]]
* [[Ультразвуковая кавитация]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* ''B.P.Barber et al, Phys.Rep. 281, 65 (1997)''
* ''[http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=RMPHAT000074000002000425000001&idtype=cvips&gifs=yes M.P. Brenner, S. Hilgenfeldt and D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002)]{{Недоступная ссылка|date=Ноябрь 2018 |bot=InternetArchiveBot }}''
* ''[http://ufn.ru/ru/articles/2000/3/c/ Маргулис М. А., УФН, 2000, вып.3, c.263-287]''
* ''K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Applied Spectroscopy Review, 39 (3), 399—436 (2004)''.

== Ссылки ==
* [https://www.youtube.com/watch?v=7NNQWES9HDg |Sonoluminescence/Сонолюминесценция 2 в воде насыщенной аргоном.] 
* [https://www.youtube.com/watch?v=J15vXJ92NFc|Sonoluminescence.] 
* [http://www.scientific.ru/journal/sono.html Сонолюминесценция: загадки, идеи, объяснения]
* [http://esmorodov.narod.ru Критика терминологии]
* [http://elementy.ru/lib/430083 Звук с температурой в тысячи градусов]
* {{YouTube|W9xK1AmCHIM|Рак–богомол(щелкун) убивает звуком|logo=1}}
* [http://www.youtube.com/watch?v=vW0vcWvUi0E|Sonoluminescence. Two bubbles.]
* [https://www.youtube.com/watch?v=OOjBrHi0jwM|Sonoluminescence.The Birth of a Bubble part 2]

{{Источники искусственного света}}

[[Категория:Акустические явления]]
[[Категория:Гидродинамические явления]]
[[Категория:Оптические явления]]
[[Категория:Люминесценция]]
[[Категория:Холодный термояд]]
[[Категория:Нерешённые проблемы современной физики]]