Реферат на тему:
-
Вступ
- 1 Історія та ранні дослідження
- 2 Однопузирьковая і многопузирьковая сонолюминесценция
- 3 Теоретична модель
- 3.1 Модель Швінгера
- 4 Застосування сонолюминесценции Література
Примітки
Сонолюмінесценция - явище виникнення спалаху світла при схлопуванні кавітаційних бульбашок, народжених в рідини потужної ультразвукової хвилею. Типовий досвід зі спостереження сонолюминесценции виглядає наступним чином: в ємність з водою поміщають резонатор і створюють в ній стоячу сферичну ультразвукову хвилю. При достатній потужності ультразвуку в самому центрі резервуара з'являється яскравий точкове джерело блакитного світла - звук перетворюється в світло.
1. Історія та ранні дослідження
Незважаючи на те, що явище вперше спостерігалося ще в 1930-і роки, механізм сонолюминесценции був довгий час абсолютно незрозумілий. Пов'язано це з тим, що в перших експериментах було видно лише поодинокі і досить тьмяні спалахи, тобто весь цей час не вдавалося підібрати оптимальні умови для виникнення сонолюминесценции.
Зліва направо: поява бульбашки, повільне розширення, швидке і раптове схлопування, випускання світла.
- Стояча ультразвукова хвиля в фазі розрідження створює в воді велику негативний тиск, який призводить до локального розриву води і утворенню кавітаційного пухирця.
- Протягом приблизно чверті періоду ультразвукової хвилі (тобто поки тиск залишається негативним), бульбашка росте, причому якщо стояча звукова хвиля сферично симетрична, то і бульбашка залишається сферичним. В окремих експериментах діаметр бульбашки досягав часток міліметра.
- У фазі стиснення кавітаційний бульбашка схлопивается, причому все швидше і швидше. Процес схлопування прискорює також сила поверхневого натягу.
- У заключні частки періоду з центру схлопнувшегося бульбашки виривається дуже коротка і яскравий спалах світла. Оскільки в стаціонарному режимі кавітаційний бульбашка народжується і схлопивается мільйони разів в секунду, ми бачимо усереднений сонолюмінесцентний світло.
З точки зору фізичної інтуїції сонолюминесценция має низку парадоксальних властивостей.
- Сонолюмінесценция найбільш ефективно проявляється у звичайній воді. Тільки в останні роки [коли? ] Насилу вдалося добитися виникнення сонолюминесценции в інших рідинах.
- Невелика концентрація інертних газів, розчинених у воді, істотно підсилює ефект.
- Яскравість сонолюмінесцентного світла різко збільшується при охолодженні води.
- Яскрава сонолюмінесцентная спалах має, як правило, більш-менш гладкий спектр, без будь-яких окремих ліній випромінювання. Цей спектр круто зростає в фіолетову сторону і приблизно схожий на спектр випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько сотень тисяч кельвінів!
Саме спектр став головним каменем спотикання при спробах пояснення явища. Якщо сонолюмінесцентний світло має теплове походження, то необхідно пояснити, як ультразвук нагріває воду до таких температур. Якщо ж високі температури тут ні при чому, то яке взагалі тоді походження світла.
2. Однопузирьковая і многопузирьковая сонолюминесценция
3. Теоретична модель
Отже, якщо природа світла теплова, то необхідно пояснити, за рахунок чого досягаються такі високі температури.
В даний час вважається, що нагрів води відбувається наступним чином.
- При швидкому стискуванні кавітаційного пухирця, пари води відчувають процес, близький до адіабатичного стиску. При цьому, оскільки радіус бульбашки може зменшитися в десятки разів, цілком можливий нагрів парів води на порядки, тобто до декількох тисяч кельвінів.
- Відомо, що ефективність нагріву при адіабатичному процесі визначається показником адіабати, який в свою чергу сильно залежить від того, який газ ми розглядаємо. Найбільш ефективно нагрівання для одноатомних газів, так що навіть невеликі домішки інертних газів у воді здатні помітно вплинути на ефективність нагріву.
- Залежність яскравості сонолюминесценции від температури води визначається балансом між парами води і інертних газів усередині бульбашки. При зниженні температури води летючість парів інертних газів майже не змінюється, в той час як тиск насичених парів води різко падає. Це призводить до кращого нагрівання парів при стисненні бульбашки.
- Ясно, що початковий бульбашка має не зовсім правильну сферичну форму. При схлопуванні ці спотворення симетрії посилюються, і в результаті не вдається всю початкову енергію сфокусувати в точку. Якщо при однопузирьковой кавітації, коли початкові спотворення малі, вдається зменшити радіус бульбашки на порядок і більше, то при многопузирьковой сонолюминесценции початкові спотворення не дозволяють сильно стиснути пляшечку, що і позначається на кінцевій температурі.
- У разі однопузирьковой сонолюминесценции на останній стадії колапсу кавітаційного пухирця стінки бульбашки розвивають швидкість до 1-1,5 км / с, що в 3-4 рази перевищує швидкість звуку в газовій суміші усередині бульбашки. В результаті при стисненні виникає сферична сходиться ударна хвиля, яка потім, відбившись від центру, проходить через речовину ще раз. Відомо, що ударна хвиля ефективно нагріває середу: при переході через фронт ударної хвилі речовина нагрівається в M² раз, де М - число Маха. Це, мабуть, призводить до збільшення температури ще на порядок і дозволяє досягти сотні тисяч кельвінів.
3.1. модель Швінгера
Незвичайне пояснення ефекту сонолюминесценции, що належить Швінгер [5]. засноване на розгляді змін вакуумного стану електромагнітного поля в бульбашці в процесі швидкої зміни форми останнього, з точки зору, близькою до того, що застосовується зазвичай при описі ефекту Казимира, коли розглядається вакуумне стан електромагнітного поля в плоскому конденсаторі, залежне від граничних умов, визначених пластинами .). Більш детально цей підхід був розвинений в роботі Клаудії Еберлейн (Claudia Eberlein) [6] [7].
Якщо це вірно, то сонолюминесценция - перший приклад, в якому прямо експериментально спостерігається випромінювання, пов'язане зі зміною вакуумного стану.
Висловлювалися аргументи на користь того, що сонолюминесценция пов'язана з перетворенням занадто великий енергії в занадто малий час, щоб узгоджуватися зі згаданим поясненням [8]. Однак інші заслуговують на довіру, наводять аргументи за те, що пояснення через вакуумну енергію може все ж виявитися вірним [9].
4. Застосування сонолюминесценции
Крім чисто наукового інтересу, пов'язаного з розумінням поведінки рідини при подібних умовах, дослідження по сонолюминесценции можуть мати і прикладні застосування. Перерахуємо деякі з них.
- Сверхминиатюрная хімічна лабораторія. Розчинені у воді реагенти будуть присутні в плазмі під час сонолюмінесцентной спалаху. Варіюючи параметри експерименту, можна контролювати концентрацію реагентів, а також температуру і тиск в цій сферичної «мікропробірку». Серед недоліків такої методики можна назвати
- досить обмежене вікно прозорості води, що ускладнює спостереження реакції
- неможливість позбавитися від присутності молекул води і їх елементів, зокрема від гідроксил-іонів.
- Перевагами методики є
- легкість, з якою вдається створювати високі температури реакційної суміші.
- можливість проводити сверхкороткие за часом експерименти, на масштабах пикосекунд.
- Можливість запуску термоядерної реакції. Деякі експериментальні групи стверджують, що змогли досягти в сонолюмінесцентной спалаху температур порядку мільйонів кельвінів, спостерігаючи при цьому продукти термоядерної реакції. Підтвердження результатів цих експериментів дозволило б отримати компактний термоядерний реактор. Ситуація, однак, залишається спірною і вимагає подальшого дослідження.