Sonoluminiscencia

Sonoluminiscencia je emisia krátkych zábleskov svetla z bublín implodujúcich v kvapaline pri excitácii zvukom.

História
Prvé pozorovanie sonoluminiscencie na Kolínskej univerzite v roku 1934 bolo dôsledkom práce na sonare. H. Frenzel a H. Schultes umiestnili ultrazvukový menič do nádrže naplnenej fotografickou vyvolávacou látkou. Po vyvolaní pozorovali na filme drobné bodky a uvedomili si, že vzduchové bubliny pri pôsobení ultrazvuku v kvapaline emitujú svetlo. V prvých experimentoch bolo kvôli celkovému prostrediu a veľkému počtu krátko žijúcich bublín len veľmi ťažké analyzovať tento jav. Ten dnes označujeme ako sonoluminiscenciu viacerých bublín (Multi-bubble sonoluminescence – MBSL).

Viac než 50 rokov neskôr, v roku 1989, dosiahli vo výskume významný pokrok Felipe Gaitan a Lawrence Crum, ktorý dokázali vyprodukovať sonoluminiscenciu jednej bubliny (Single-bubble sonoluminescence – SBSL). V SBSL jedna bublina vzduchu zachytená akustickou stojatou vlnou emituje pulz svetla pri každej kompresii bubliny týmto akustickým poľom. Táto technika umožnila systematickejšie štúdium javu, pretože izolovala zložité efekty do jednej stabilnej predpovedateľnej bubliny. Prišlo sa na to, že teplota vnútri bubliny bola dostatočne vysoká na to, aby roztavila oceľ. Záujem o sonoluminiscenciu bol obnovený po tom, čo bola postulovaná vnútorná teplota tejto bubliny na viac než milión kelvinov. Táto teplota dosiaľ nie je presvedčivo dokázaná, ale predsa len nedávne experimenty spojené s univerzitou v Illinois predpokladajú teplotu približne 20 000 kelvinov.

Vlastnosti
Sonoluminiscencia môže nastať keď zvuková vlna dostatočnej intenzity spôsobí prudký kolaps plynnej dutiny v kvapaline. Táto dutina môže byť bublinou už nachádzajúcou sa v kvapaline, alebo môže byť vytvorená procesom kavitácie. V laboratóriu môže byť vytvorená stabilná sonoluminiscencia tak, že jedna bublina bude periodicky expandovať a kontrahovať, emitujúc pritom záblesk svetla pri každom kolapse. Aby sme to dosiahli, je potrebné v kvapaline vytvoriť stojatú akustickú vlnu, pričom bublina sa bude nachádzať v kmitni tejto vlny. Frekvencie potrebné pre vytvorenie stojatej vlny závisia na tvare a veľkosti nádoby, v ktorej sa bublina nachádza.
Zopár faktov o sonoluminiscencii:

 Svetelné záblesky z bublín sú extrémne krátke – trvajú niečo medzi 35 až pár sto pikosekúnd, s vrcholom intenzít rádu 1 – 10 mW.
 Keď dochádza k emisii svetla, sú bubliny veľmi malé – len asi 1 mikrometer v priemere, v závislosti na okolitej kvapaline (napr. voda) a obsahu plynov v bubline (napr. atmosférický vzduch).
 Pulzy SBSL môžu mať veľmi stabilné periódy. Dokonca môže byť frekvencia svetelných zábleskov viac stabilná ako frekvencia oscilátora, ktorý tieto záblesky vytvára zvukovými vlnami. Ale analýza stability bubliny ukázala, že bublina sama podlieha významným geometrickým nestabilitám, a to napríklad kvôli Bjerknesovým silám a Rayleigh-Taylorovým nestabilitám.
 Pridanie malého množstva vzácnych plynov (ako napr. hélium, argón, alebo xenón) do plynu v bubline zvýši intenzitu emitovaného svetla.

Vlnová dĺžka emitovaného svetla je veľmi malá; spektrum zachádza do ultrafialovej oblasti. Svetlo kratších vlnových dĺžok má vyššiu energiu a zmerané spektrum emitovaného svetla indikuje teplotu v bubline prinajmenšom 20,000 kelvinov, prípadne dokonca rádovo až megakelvin. Vierohodnosti týchto priblížení prekáža fakt, že napr. voda absorbuje takmer všetky vlnové dĺžky pod 200 nm. Keďže sú teploty v bubline určené z emisného spektra získaného pri kolapse, alebo odhadnuté využitím modifikovanej rovnice Rayleigh-Plesset, sú výsledkom líšiace sa hodnoty tejto teploty. Niektoré odhady hovoria dokonca o hodnote jedného gigakelvinu. Tieto odhady sú založené na modeloch, ktoré v súčasnosti ešte nemôžu byť overené, a môžu zahrňovať príliš mnoho nepodporených predpokladov.

Teploty takto vysoké robia štúdium sonoluminiscencie zaujímavým hlavne kvôli možnosti vypracovania metódy pre dosiahnutie termojadrovej fúzie. Ak by boli teplota a tlak v bubline dostatočne vysoké, mohli by byť v tejto drobnej bubline vytvorené reakcie fúzie ako tie, ktoré prebiehajú v Slnku a v ostatných hviezdach. Táto možnosť sa niekedy uvádza aj pod názvom "bublinová fúzia" (bubble fusion).

Experiment ktorý v roku 2002 previedol R. P. Taleyarkhan, et.al. (Purdue University in West Lafayette, Indiana) s využitím deuterovaného acetónu poukázal vzhľadom na produkciu trícia a neutrónov na zhodu s fúziou. Keďže tieto merania neboli reprodukované mimo laboratória Taleyarkhana, bol tento výsledok kontroverzný. V januári 2005 Taleyarkhan publikoval ďalšie pozitívne výsledky, v ktorých opäť uvádzal detekciu neutrónov ako dôkaz fúzie v bubline. Tentoraz sa snažil zmierniť pochybnosti v detekcii neutrónov vytvorením bublín pomocou častíc alfa (zmiešaním acetónu s roztokom uránu).

Brian Naranjo zo skupiny ktorú na University of California v Los Angeles vedie Seth Putterman, predviedol v apríli 2005 analýzu  výsledkov Taleyarkhana s tvrdením, že Taleyarkhan si najpravdepodobnejšie nesprávne vysvetlil rádioaktívny rozpad štandardných laboratórnych materiálov ako produkt jadrovej fúzie. Putterman je hlavným kritikom práce Taleyarkhana od roku 2002, kedy prvýkrát publikoval svoje tvrdenie, že dosiahol jadrovú fúziu.

Referencie

Literatúra
 Putterman, S. J. "Sonoluminescence: Sound into Light," Scientific American, Feb. 1995, s.46. 
 H. Frenzel and H. Schultes, Z. Phys. Chem. B27, 421 (1934)
 D. F. Gaitan, L. A. Crum, R. A. Roy, and C. C. Church, J. Acoust. Soc. Am. 91, 3166 (1992)
 M. Brenner, S. Hilgenfeldt, and D. Lohse, "Single bubble sonoluminescence", Rev. Mod. Phys., April (2002).
 R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, Jr. R. Nigmatulin, and R. C. Block, "Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation," Science 295, 1868 (2002).
 Tiny Bubbles Implode With the Heat of a Star, New York Times

Externé odkazy

 Štúdium sonoluminiscencie na ÚEF SAV v Košiciach

Luminiscencia