Sonolumineszenz ist die Emission von kurzen Ausbrüchen von Licht davon, Luftblasen in einer Flüssigkeit, wenn aufgeregt, durch den Ton zu implodieren.

Geschichte

Die Wirkung wurde zuerst an der Universität Kölns 1934 infolge der Arbeit am Echolot entdeckt. H. Frenzel und H. Schultes stellen einen Ultraschall-Wandler in einer Zisterne von fotografischer Entwickler-Flüssigkeit. Sie haben gehofft, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Statt dessen haben sie winzige Punkte auf dem Film nach dem Entwickeln bemerkt und haben begriffen, dass die Luftblasen in der Flüssigkeit Licht mit dem angemachten Ultraschall ausstrahlten. Es war zu schwierig, die Wirkung in frühen Experimenten wegen der komplizierten Umgebung einer Vielzahl von kurzlebigen Luftblasen zu analysieren. (Dieses Experiment wird auch N. Marinesco und J.J. Trillat 1933 zugeschrieben, der ihnen auch die unabhängige Entdeckung zuschreibt). Dieses Phänomen wird jetzt Mehrluftblase-Sonolumineszenz (MBSL) genannt.

1989 wurde ein experimenteller Hauptfortschritt von Felipe Gaitan und Lawrence Crum eingeführt, der stabile Sonolumineszenz der einzelnen Luftblase (SBSL) erzeugt hat. In SBSL, eine einzelne in einer akustischen stehenden Welle gefangene Luftblase, strahlt einen Puls des Lichtes mit jeder Kompression der Luftblase innerhalb der stehenden Welle aus. Diese Technik hat eine systematischere Studie des Phänomenes erlaubt, weil es die komplizierten Effekten in eine stabile, voraussagbare Luftblase isoliert hat. Es wurde begriffen, dass die Temperatur innerhalb der Luftblase heiß genug war, um Stahl zu schmelzen. Das Interesse an der Sonolumineszenz wurde erneuert, als eine innere Temperatur solch einer Luftblase ganz über einer Million kelvins verlangt wurde. Diese Temperatur wird so weit nicht abschließend bewiesen, obwohl neue Experimente, die von der Universität Illinois an Urbana-Champaign durchgeführt sind, Temperaturen ringsherum anzeigen. Forschung ist auch von Dr Klaus Fritsch von Universität von John Carroll, Universitätshöhen, Ohio ausgeführt worden.

Die US-Marine hat Propeller-veranlasste Sonolumineszenz während des Kalten Kriegs studiert.

Eigenschaften

Sonolumineszenz kann vorkommen, wenn eine Schallwelle der genügend Intensität eine gasartige Höhle innerhalb einer Flüssigkeit veranlasst, schnell zusammenzubrechen. Diese Höhle kann die Form einer vorher existierenden Luftblase annehmen, oder kann durch einen Prozess bekannt als cavitation erzeugt werden. Die Sonolumineszenz im Laboratorium kann gemacht werden, stabil zu sein, so dass sich eine einzelne Luftblase ausbreiten und immer wieder auf eine periodische Mode zusammenbrechen wird, einen Ausbruch von Licht jedes Mal ausstrahlend, wenn es zusammenbricht. Dafür, um vorzukommen, wird eine akustische Stehwelle innerhalb einer Flüssigkeit aufgestellt, und die Luftblase wird an einem Druck-Antiknoten der stehenden Welle sitzen. Die Frequenzen der Klangfülle hängen von der Gestalt und Größe des Behälters ab, in dem die Luftblase enthalten wird.

Einige Tatsachen über die Sonolumineszenz:

• Die leichten Blitze von den Luftblasen sind - zwischen 35 und einigen hundert picoseconds lange — mit Maximalintensitäten der Ordnung 1-äußerst kurz.
• Die Luftblasen sind sehr klein, wenn sie das Licht - ungefähr 1 Mikrometer im Durchmesser — abhängig von der umgebenden Flüssigkeit (z.B, Wasser) und der Gasinhalt der Luftblase (z.B, atmosphärische Luft) ausstrahlen.
• Sonolumineszenz-Pulse der einzelnen Luftblase können sehr stabile Perioden und Positionen haben. Tatsächlich kann die Frequenz von leichten Blitzen stabiler sein als die steuerpflichtige Frequenzstabilität des Oszillators, der die Schallwellen macht, sie steuernd. Jedoch zeigen die Stabilitätsanalysen der Luftblase, dass die Luftblase selbst bedeutende geometrische Instabilitäten, wegen, zum Beispiel, die Kräfte von Bjerknes und Instabilitäten von Rayleigh-Taylor erlebt.
• Die Hinzufügung eines kleinen Betrags von edlem Benzin (wie Helium, Argon oder xenon) zum Benzin in der Luftblase vergrößert die Intensität des ausgestrahlten Lichtes.

Geisterhafte Maße haben Luftblase-Temperaturen in der Reihe von zu, die genauen Temperaturen abhängig von experimentellen Bedingungen einschließlich der Zusammensetzung der Flüssigkeit und des Benzins gegeben. Die Entdeckung von sehr hohen Luftblase-Temperaturen durch geisterhafte Methoden wird wegen der Undurchsichtigkeit von Flüssigkeiten zur kurzen Wellenlänge-Licht-Eigenschaft von sehr hohen Temperaturen beschränkt.

In der Natur schreibend, beschreiben Chemiker David J. Flannigan und Kenneth S. Suslick eine Methode, auf der Bildung von plasmas gestützte Temperaturen zu bestimmen. Mit Argon-Luftblasen in Schwefelsäure zeigen ihre Daten die Anwesenheit ionisierten molekularen Sauerstoffes O, Schwefel-Monoxyds und Atomargons, das energiereiche aufgeregte Staaten bevölkert, der eine Hypothese bestätigt, dass die Luftblasen einen heißen Plasmakern haben. Die Ionisations- und Erregungsenergie von dioxygenyl cations, den sie beobachtet haben, ist 18 electronvolts. Davon beschließen sie, dass die Kerntemperaturen mindestens 20,000 kelvins erreichen.

Rayleigh-Plesset Gleichung

Die Dynamik der Bewegung der Luftblase wird zu einer ersten Annäherung durch die Rayleigh-Plesset Gleichung (genannt nach Herrn Rayleigh und Milton Plesset) charakterisiert:

:

Das ist eine ungefähre Gleichung, die aus dem incompressible abgeleitet wird, Navier-schürt Gleichungen (geschrieben im kugelförmigen Koordinatensystem) und beschreibt die Bewegung des Radius der Luftblase R als eine Funktion der Zeit t. Hier ist μ die Viskosität, p der Druck und γ die Oberflächenspannung. Die Überpunkte vertreten Zeitableitungen. Wie man gezeigt hat, hat diese Gleichung, obwohl ungefähr, gute Schätzungen auf der Bewegung der Luftblase unter dem akustisch gesteuerten Feld außer während der Endstufen des Zusammenbruchs gegeben. Sowohl Simulation als auch experimentelles Maß zeigen, dass während der kritischen Endstufen des Zusammenbruchs die Luftblase-Wandgeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Tons des Benzins innerhalb der Luftblase überschreitet. So ist eine ausführlichere Analyse der Bewegung der Luftblase außer Rayleigh-Plesset erforderlich, um die zusätzliche Energie zu erforschen, die sich konzentriert, den eine innerlich gebildete Stoß-Welle erzeugen könnte.

Mechanismus des Phänomenes

Der Mechanismus des Phänomenes der Sonolumineszenz bleibt unerledigt. Theorien schließen ein: Krisenherd, bremsstrahlung Radiation, Kollisionsveranlasste Radiation und Korona-Entladungen, nichtklassisches Licht, Proton tunneling, electrodynamic Strahlen und fractoluminescent Strahlen (hat jetzt größtenteils wegen gegensätzlicher experimenteller Beweise bezweifelt).

2002 hat M Brenner, S. Hilgenfeldt und D. Lohse eine 60-seitige Rezensionsluftblase-Sonolumineszenz veröffentlicht" (Rezensionen der Modernen Physik 74, 425), der eine ausführliche Erklärung des Mechanismus enthält. Ein wichtiger Faktor ist, dass die Luftblase hauptsächlich träges edles Benzin wie Argon enthält oder xenon (Luft ungefähr 1 % Argon enthält, und der in Wasser aufgelöste Betrag zu groß ist; für die Sonolumineszenz, um vorzukommen, muss die Konzentration auf 20-40 % seines Gleichgewicht-Werts reduziert werden), und unterschiedliche Beträge des Wasserdampfs. Chemische Reaktionen veranlassen Stickstoff und Sauerstoff, von der Luftblase nach ungefähr hundert Vergrößerungszusammenbruch-Zyklen entfernt zu werden. Die Luftblase wird dann beginnen, Licht für den Gasaustausch in der Sonolumineszenz der Einzelnen Luftblase", Matula und Crum, Phys auszustrahlen. Hochwürdiger. Lette. 80 (1998), 865-868). Die Lichtemission hoch komprimierten edlen Benzins wird technologisch in den Argon-Blitz-Geräten ausgenutzt.

Während des Luftblase-Zusammenbruchs verursacht die Trägheit des Umgebungswassers Hochdruck und hohe Temperatur, ungefähr 10,000 kelvins im Interieur der Luftblase erreichend, die Ionisation eines kleinen Bruchteils der edlen Gasgegenwart verursachend. Der ionisierte Betrag ist für die Luftblase klein genug, um durchsichtig zu bleiben, Volumen-Emission erlaubend; Oberflächenemission würde intensiveres Licht der längeren Dauer, des Abhängigen auf der Wellenlänge erzeugen, experimentellen Ergebnissen widersprechend. Elektronen von ionisierten Atomen wirken hauptsächlich mit neutralen Atomen aufeinander, bremsstrahlung Thermalradiation verursachend. Weil die Welle einen niedrigen Energietrog, die Druck-Fälle schlägt, Elektronen erlaubend, sich mit Atomen und Lichtemission wiederzuverbinden, um wegen dieses Mangels an freien Elektronen aufzuhören. Das macht für einen 160-picosecond Lichtimpuls für Argon (sogar ein kleiner Fall in der Temperatur verursacht einen großen Fall in der Ionisation, wegen der großen Ionisationsenergie hinsichtlich der Foton-Energie). Diese Beschreibung wird von der Literatur oben, der Details verschiedene Schritte der sich unterscheidenden Dauer von 15 Mikrosekunden (Vergrößerung) zu 100 picoseconds (Emission) vereinfacht.

Berechnung, die auf der in der Rezension präsentierten Theorie gestützt ist, erzeugt Strahlenrahmen (Intensität und Dauer-Zeit gegen die Wellenlänge), die experimentelle Ergebnisse mit Fehlern vergleichen, die nicht größer sind als, erwartet wegen einiger Vereinfachungen (z.B, eine gleichförmige Temperatur in der kompletten Luftblase annehmend), so scheint es, dass das Phänomen der Sonolumineszenz mindestens grob erklärt wird, obwohl einige Details des Prozesses dunkel bleiben.

Jede Diskussion der Sonolumineszenz muss eine ausführliche Analyse von metastability einschließen. Sonolumineszenz ist in dieser Beziehung, was ein begrenztes Phänomen physisch genannt wird, das bedeutet, dass die Sonolumineszenz in einem begrenzten Gebiet des Parameter-Raums für die Luftblase besteht; ein verbundenes magnetisches Feld, das ein solcher Parameter ist. Die magnetischen Aspekte der Sonolumineszenz werden sehr gut dokumentiert.

Exotische Vorschläge

Eine ungewöhnlich exotische Theorie der Sonolumineszenz, die viel populäre Aufmerksamkeit erhalten hat, ist die Energietheorie von Casimir, die vom bekannten Physiker Julian Schwinger angedeutet ist und mehr gründlich in einem Vortrag von Claudia Eberlein von der Universität von Sussex betrachtet ist. Das Papier von Eberlein schlägt vor, dass das Licht in der Sonolumineszenz durch das Vakuum innerhalb der Luftblase in einem Prozess erzeugt wird, der der Jagenden Radiation, die am Ereignis-Horizont von schwarzen Löchern erzeugte Radiation ähnlich ist. Gemäß dieser Vakuumenergieerklärung da meint Quant-Theorie, dass Vakuum virtuelle Partikeln enthält, wandelt die schnell bewegende Schnittstelle zwischen Wasser und Benzin virtuelle Fotonen in echte Fotonen um. Das ist zur Wirkung von Unruh oder der Wirkung von Casimir verbunden. Wenn wahr, kann Sonolumineszenz das erste erkennbare Beispiel der Quant-Vakuumradiation sein. Das Argument ist diese Sonolumineszenz Ausgaben ein zu großer Betrag der Energie gemacht worden und veröffentlicht die Energie auf einem zu kurzen zeitlichen Rahmen, um mit der Vakuumenergieerklärung im Einklang stehend zu sein, obwohl andere glaubwürdige Quellen behaupten, dass sich die Vakuumenergieerklärung noch erweisen könnte, richtig zu sein.

Kernreaktionen

Einige haben behauptet, dass die Rayleigh-Plesset Gleichung, die oben beschrieben ist, unzuverlässig ist, um Luftblase-Temperaturen vorauszusagen, und dass wirkliche Temperaturen in sonoluminescing Systemen viel höher sein können als 20,000 kelvins. Etwas Forschung behauptet, Temperaturen nicht weniger als 100,000 kelvins gemessen zu haben und sinnt nach, dass Temperaturen in die Millionen von kelvins reichen konnten. Temperaturen konnte das hoch thermonukleare Fusion verursachen. Diese Möglichkeit wird manchmal Luftblase-Fusion genannt.

Am 27. Januar 2006 haben Forscher am Polytechnikum von Rensselaer behauptet, Fusion in Sonolumineszenz-Experimenten erzeugt zu haben.

Experimente (2002, 2005) R. P. Taleyarkhans, der deuterated Azeton verwendet, haben Maße von Tritium und mit der Fusion im Einklang stehender Neutronproduktion gezeigt, aber die niedrige Qualität der Papiere und der Zweifel, die durch den Bericht in sein wissenschaftliches Amtsvergehen geworfen sind, hatte ihn die ganze Vertrauenswürdigkeit verlieren lassen, die er früher unter der wissenschaftlichen Gemeinschaft hatte. Am 27. August 2008 wurde er seines genannten Arden Bements des Jüngeren beraubt. Professur, und verboten, ein Thesenberater für Studenten im Aufbaustudium seit mindestens den nächsten 3 Jahren zu sein.

Biologische Sonolumineszenz

Pistole-Garnelen (auch genannt schnappende Garnele) erzeugen einen Typ der Sonolumineszenz von einer zusammenbrechenden verursachten Luftblase, indem sie eine Spezialklaue schnell schnappen. Das erzeugte Licht ist der niedrigeren Intensität als das Licht, das durch die typische Sonolumineszenz erzeugt ist, und ist zum nackten Auge nicht sichtbar. Das Licht und die erzeugte Hitze können keine direkte Bedeutung haben, weil es der durch die schnell zusammenbrechende Luftblase erzeugte shockwave der diese Garnelen Gebrauch ist, um Beute zu betäuben oder zu töten. Jedoch ist es das erste bekannte Beispiel eines Tieres, das Licht durch diese Wirkung erzeugt, und wurde "shrimpoluminescence" auf seine Entdeckung 2001 wunderlich synchronisiert. Es ist nachher entdeckt worden, dass eine andere Gruppe von Krebstieren, der Gottesanbeterin-Garnele, Arten enthält, deren einem Klub ähnlicher forelimbs so schnell und mit solcher Kraft schlagen kann wie, um sonoluminescent cavitation Luftblasen beim Zusammenstoß zu veranlassen.

Siehe auch

• Sonochemistry

Kalte Fusion

• Liste von leichten Quellen

Allgemeine Verweisungen

• "Winzige Luftblasen Implodieren Mit der Hitze eines Sterns", Artikel New York Times. Registrierung und kleine Gebühr können erforderlich sein.
• John D. Wrbanek, u. a. (2009): Das Nachforschen der Sonolumineszenz als ein Mittel des Energieerntens. Seiten 605-637, in: Marc G. Millis, Eric W. Davis: Grenzen der Antrieb-Wissenschaft. Amerikanischer Inst. von Luftfahrt & Raumfahrt, Reston, internationaler Standardbuchnummer 1-56347-956-7, Auszug NASA Technischer Berichtsserver
• Dieser Artikel wurde 1996 zusammen mit der alternativen Theorie geschaffen; beide wurden von Frau Eberlein gesehen. Es enthält viele Verweisungen auf die entscheidenden experimentellen Ergebnisse in diesem Feld.

Links

• Buzzacchi, Matteo, E. Del Giudice und G. Preparata, "Entschleierte Sonolumineszenz?" Quant-Physik, Auszug (quant-ph/9804006). Donnerstag, der 2. April 1998 [Hrsg. Einzelne Luftblase-Sonolumineszenz (SBSL) Phänomenologie.]
• Diskussion von einigen verschiedenen Theorien der Sonolumineszenz
• Wie - um zur Aufstellung einer Sonolumineszenz zu führen, experimentieren
• Ein anderes Detaillieren einer Sonolumineszenz experimentiert
• Eine Beschreibung der Wirkung und des Experimentes, mit einem Diagramm des Apparats
• Ein mpg Video der zusammenbrechenden Luftblase (934 Kilobytes)
• Shrimpoluminescence
• Impuls-Geräte
• Anwendungen von sonochemistry
• Schallwellen schätzen Sonolumineszenz ein
• Sonolumineszenz: vom Ton bis Licht

Neuere Forschungsarbeiten schließen größtenteils die Vakuumenergieerklärung aus

• quant-ph/9904013 S. Liberati, M. Visser, F. Belgiorno, D. Sciama: Sonolumineszenz als eine QED Vakuumwirkung
• hep-th/9811174 K. A. Milton: Sonolumineszenz und die Dynamische Wirkung von Casimir