Гарне слово "сонолюминесценция" приховує в собі не менш гарне фізичне явище. Явище, яке примудрилося зв'язати здавалося б абсолютно різні стани речовини: була проста холодна вода, і раптом в ній виникають бульбашки плазми з температурою в десятки тисяч градусів! Ставила спочатку всіх в глухий кут, зараз сонолюминесценция поступово піддається потужному натиску з боку дослідників і розкриває свої загадки.
1. сонолюмінесценция - перше знайомство.
Явище сонолюминесценции (СЛ) полягає в тому, що якщо в воду помістити резонатор і створити в ній стоячу сферичну ультразвукову хвилю. то в воді, в самому центрі резонатора, з'являється яскравий, точкове джерело блакитного світла. Звук перетворюється в світло!
Ну, хіба мало що де світиться, скаже критично налаштований Новомосковсктель. Невже сонолюминесценция - це настільки складне завдання? Що ж, тоді відразу назвемо дві перших загадки СЛ.
Перша: експеримент показує, що спектр СЛ світла має рівний, гладкий вид, поступово зростаючий в сторону ультрафіолету. без будь-яких помітних окремий ліній випромінювання. Це говорить про те, що механізм випромінювання СЛ швидше теплової (аналогічний механізму світіння Сонця або лампочки розжарювання). Але дозвольте, тоді виходить, що в воді виникає область з температурою в десятки тисяч градусів! Яким чином ультразвукова хвиля може "нагріти" воду до температур, у багато разів перевершують температуру на поверхні Сонця.
Друга загадка. Спостереження показують, що світіння йде з області розміром менше мікрона. Це-то при тому, що єдиний характерний розмір в системі - це довжина хвилі ультразвуку, що дорівнює кільком сантиметрам. Яким чином енергія звуку примудряється сфокусуватися в такий малий обсяг? Але ж оцінки показують, що справді при СЛ відбувається концентрація енергії в трильйон разів, тобто, на 12 порядків!
Містика, не інакше.
2. Що ж спостерігається? Експериментальні факти.
Насправді, все не так загадково, як може спочатку здатися. Перш, ніж будувати будь-які гіпотези про походження СЛ, давайте зробимо короткий огляд його головних властивостей.
Вже найперші експерименти показали, що СЛ світло випромінюється не безперервно, а надкоротких (тривалістю близько 0.1 нс) спалахами. Джерелом кожної такої СЛ спалаху є схлопивается кавітаційний бульбашка, що знаходиться в центрі установки, тобто в вузлі стоячій ультразвукової хвилі. Його походження зрозуміло: звукова хвиля досить великої інтенсивності (в фазі розрідження) може викликати настільки великі напруги в рідині. що їй не важко буде локально розірвати суцільну середу, створивши в ній маленьку порожнину, пухирець, заповнений водяною парою і розчиненими у воді газами. Через полперіода, під дією стискає ефекту ультразвуку і сил поверхневого натягу. цей пухирець схлопивается, правда, не до кінця. І саме в момент досягнення мінімального радіуса прямо з пляшечки виривається спалах СЛ випромінювання.
Рис.1 Залежність радіусу бульбашки від часу; стрілкою показаний момент випромінювання СЛ світла.
Рис.2 Типовий спектр сонолюмінесцентного світла.
Звернемося тепер безпосередньо до випромінювання. На Рис.2 показаний типовий спектр сонолюминесценции. Як ми вже говорили, суцільний, без жодних окремих ліній випромінювання, що росте в ультрафіолетову область спектр сам по собі представляє головоломку. Якщо це теплове випромінювання, то виходячи з того, що максимум спектра непомітний, слід, що мова йде про температурах в десятки тисяч градусів, тобто, всередині СЛ бульбашки знаходиться плазма! Якщо ж механізм випромінювання не теплової, то в чому він полягає?
Далі, якщо мова йде про таких високих температурах, то в спектрі СЛ повинні бути присутніми окремі атомарні і молекулярні лінії випромінювання. Наприклад, у нейтрального порушеної радикала OH *, яким повинна рясніти СЛ плазма (все-таки, кругом вода!), Є чітка лінія випромінювання при 310 нм, а в СЛ спектрі немає ні найменшого натяку на її присутність. Через що пропали окремі лінії?
Крім того, на досвіді були встановлені і інші, не менш дивовижні закономірності. Наприклад, була відзначена сильна залежність від температури води. Якщо цю температуру знижували з 40С до 0С, то яскравість СЛ світіння зростала в сто раз! Яка природа такої аномально високої чутливості? Потім, чисто емпірично було знайдено, що невеликий відсоток благородних газів. розчинених у воді, виявляється вкрай важливим для яскравого, стійкого світіння. Як саме благородні гази допомагають світіння також поки не зрозуміло. Нарешті, було відмічено, що серед багатьох рідин саме в воді СЛ випромінювання виявляється максимально яскравим.
Паралельно з описаної вище однопузирьковой сонолюмінесценция, вчені вивчали і так звану многопузирьковую СЛ. У такому режимі критична потужність ультразвуку досягається в досить великому обсязі води. Через це в фазі розрідження народжується не один, а багато (сотні) кавітаційних бульбашок. Особливість такого режиму полягає в тому, що окремі бульбашки починають взаємодіяти один з одним, зливатися, утворюючи більші порожнини з неправильною геометрією.
Рис.3 Порівняння спектрів одно- і многопузирьковой сонолюминесценции.
Дослідження показали, що спектр випромінюваного в такому режимі світла дуже відрізняється від картини однопузирьковой СЛ. На Рис.3 наведені дані, отримані в роботі [2]. У цьому дослідженні вперше порівнювалися спектри одно- і многопузирьковой СЛ в 0.1-молекулярний розчині NaCl у воді при однакових інших умовах. Видно, що в многопузирьковой СЛ чітко спостерігаються окремі лінії випромінювання; зокрема, є і зазначена вище лінія випромінювання OH * при 310 нм. У однопузирьковой СЛ на ці лінії немає і натяку.
Така відмінність властивостей одно- і многопузирьковой СЛ стало навіювати підозри, що механізм світіння при одно- і многопузирьковой СЛ принципово різний. Такий стан речей, звичайно, ще більше заплутувало ситуацію. Тому значна частка досліджень в останні роки була спрямована на з'ясування того, скільки ж "різних сонолюмінесценция" ми спостерігаємо. Якщо судити з настрою самих останніх публікацій, дослідники цю задачу, схоже, дозволили.
Ця робота - перша безперечна підтвердження того, що однопузирьковая сонолюминесценция, по крайней мере, частково, теж має теплову природу, теж зобов'язана своїм походженням світиться плазмі.
Рис.4 Спектри СЛ при колапсі великого бульбашки.
Експериментатори варіювали початковий радіус бульбашки в межах від 0.2 до 2 мм і спостерігали за тим, як змінюється при цьому спектр спалаху (Рис.4). Видно, що коли початковий радіус перевищує 1 мм, в спектрі з'являється та сама лінія випромінювання OH *. Більш того, фотографії СЛ спалаху показують, що досить великий пляшечку в процесі схлопування починає дробитися, розпадатися на більш дрібні бульбашки. Так що в реальності ми вже маємо справу зі справжньою многопузирьковой СЛ.
Що ж, однією загадкою менше. Можна вважати, що зв'язок між одно- і многопузирьковой СЛ чітко встановлена. Обидві вони повинні мати теплову природу, і різниця між їх властивостями - швидше кількісна: вона визначається різницею досягаються температур в цих процесах.
4. Механізм сонолюминесценции - теоретична модель.
У світлі останніх експериментів можна вважати встановленим, що СЛ випромінювання має теплову природу. Випромінює світло невелику хмарку плазми, яка на короткий час запалюється в центрі схлопивается бульбашки. Досвідчені дані свідчать, що температура плазми в разі однопузирьковой СЛ становить десятки тисяч градусів. Тому виникає перше запитання: як досягається така висока температура?
Здавалося б, відповідь така: бульбашка стискається досить швидко, і що знаходиться всередині нього газ від цього квазі-адіабатичного стиснення нагрівається. Однак не все так просто. Що знаходиться усередині бульбашки газ стиснути і нагріти не так-то легко. Стінки бульбашки не їсти щось зовсім незворушне. Дійсно, водяна пара просто почне конденсуватися на стінки бульбашки, а присутній в бульбашці благородний газ буде дифундувати назовні. Не треба забувати і про звичайний тепловідвід за рахунок теплопровідності. Крім того, що починаються при високих температурах ендотермічні реакції також можуть дуже ефективно поглинати тепло. В результаті простим стисненням бульбашки температуру в сто раз не піднімеш.
Однак ми поки не все врахували. Швидкість схлопування бульбашки на останньому етапі, як ми пам'ятаємо, дорівнює 1-1.5 км / сек, а це в 3-4 рази більше швидкості звуку в газовій суміші усередині бульбашки! Але відомо, що надзвукове рух породжує ударні хвилі. так що в результаті, починаючи з деякого моменту, усередині бульбашки виникає схлопивается ударна хвиля. А з гідродинаміки відомо, що ударна хвиля нагріває середу набагато ефективніше: при переході через фронт ударної хвилі речовина нагрівається в M 2 раз, де М - число Маха. Але і це ще не все. Після того, як ударна хвиля досягне центру, вона "відіб'ється", і почне поширюватися назовні. В результаті, через дану точку речовини ударна хвиля проходить двічі, і в обох випадках буде відбуватися значне, в кілька разів, збільшення температури.
На противагу цьому, при многопузирьковой СЛ початковий бульбашка має неправильну, несферичну форму. При схлопуванні ці спотворення тільки посилюються, і в результаті не вдається всю початкову енергію сфокусувати в точку. Значить, ударно-хвильової механізм тут вже не працює, і нагрівання здійснюється тільки за рахунок стиснення бульбашки. Як наслідок, температура при цьому виявляється не такою високою, що і підтверджується експериментом.
Нарешті, як же вирішується питання про відсутність в спектрі СЛ чітких молекулярних ліній випромінювання однопузирьковой СЛ? Відповідь, мабуть, полягає в тому, що при таких екстремальних умовах зіткнення молекул настільки часті, що OH * швидко знімає збудження безвипромінювальної, тобто, просто не встигає висвітлити фотон (див. [6]).
В цілому, акуратне теоретичний опис сонолюминесценции, звичайно, ще не побудовано. Є ще відкриті питання, і їх чимало. Однак багато - перш за все, теплова природа і зв'язок одно- і многопузирьковой СЛ - вже прояснилося. Будемо сподіватися, що в найближчому майбутньому явище буде нарешті зрозуміло в деталях, і можливо, знайде своє застосування в науці і, може бути, навіть в побуті.