Sonoluminiscencia
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 20 de octubre de 2020; las comprobaciones requieren 2 ediciones .La sonoluminiscencia es el fenómeno de la aparición de un destello de luz durante el colapso de las burbujas de cavitación generadas en un líquido por una poderosa onda ultrasónica . Una experiencia típica para observar la sonoluminiscencia es la siguiente: se coloca un resonador en un recipiente con agua y se crea en él una onda ultrasónica esférica estacionaria . Con suficiente potencia de ultrasonido, aparece una fuente puntual brillante de luz azulada en el centro del tanque: el sonido se convierte en luz.
Historia e investigaciones tempranas
A pesar de que el fenómeno se observó por primera vez en la década de 1930 , el mecanismo de la sonoluminiscencia fue completamente incomprensible durante mucho tiempo. Esto se debe al hecho de que en los primeros experimentos solo eran visibles destellos únicos y bastante tenues, es decir, todo este tiempo no fue posible encontrar las condiciones óptimas para el inicio de la sonoluminiscencia.
En la década de 1990 aparecieron instalaciones que proporcionaban una luz sonoluminiscente brillante, continua y estable. Como resultado, fue posible estudiar la luz sonoluminiscente no con la ayuda de películas fotográficas (es decir, acumulando luz durante un largo período de tiempo), sino en tiempo real, con una excelente resolución temporal y espacial. Los experimentos han demostrado que el resplandor sonoluminiscente resulta del siguiente ciclo:
- Una onda ultrasónica estacionaria en la fase de rarefacción crea una presión muy baja en el agua, lo que provoca una ruptura local del agua y la formación de una burbuja de cavitación .
- Durante aproximadamente una cuarta parte del período de la onda ultrasónica (es decir, mientras la presión permanece muy baja), la burbuja crece, y si la onda de sonido estacionaria es esféricamente simétrica, entonces la burbuja permanece esférica. En algunos experimentos, el diámetro de la burbuja alcanzó fracciones de milímetro.
- En la fase de compresión, la burbuja de cavitación colapsa, y cada vez más rápido. El proceso de colapso también es acelerado por la fuerza de la tensión superficial .
- En las fracciones finales del período, un destello de luz muy breve y brillante escapa del centro de la burbuja colapsada. Ya que en el modo estacionario la burbuja de cavitación nace y colapsa millones de veces por segundo , vemos la luz sonoluminiscente promedio.
Desde el punto de vista de la intuición física, la sonoluminiscencia tiene una serie de propiedades paradójicas.
- La sonoluminiscencia es más eficaz en agua corriente. Solo en los últimos años[ ¿cuándo? ] logró con dificultad lograr la aparición de sonoluminiscencia en otros líquidos.
- Una pequeña concentración de gases inertes disueltos en agua mejora significativamente el efecto.
- El brillo de la luz sonoluminiscente aumenta dramáticamente a medida que el agua se enfría.
- Un destello sonoluminiscente brillante, por regla general, tiene un espectro más o menos suave , sin líneas espectrales separadas . Este espectro crece abruptamente en la dirección violeta y es aproximadamente similar al espectro de radiación de un cuerpo negro con una temperatura del orden de cientos de miles de kelvins .
Fue el espectro el que se convirtió en el principal escollo en los intentos de explicar el fenómeno. Si la luz sonoluminiscente es de origen térmico, entonces es necesario explicar cómo el ultrasonido calienta el agua a tales temperaturas. Si las altas temperaturas no tienen nada que ver, ¿cuál es el origen de la luz en general?
Sonoluminiscencia de una y varias burbujas
En la década de 1990, se descubrió el fenómeno de la sonoluminiscencia de múltiples burbujas . Ocurre si las condiciones para la cavitación no se crean en un punto, sino en un área bastante grande, del orden de un centímetro o más. En este caso, continuamente nacen y colapsan muchas burbujas separadas, que interactúan, se unen, chocan entre sí. En contraste con este modo, el modo de burbuja central descrito anteriormente se denomina sonoluminiscencia de burbuja única .
Con la sonoluminiscencia de múltiples burbujas, el brillo es más tenue y tiene un espectro completamente diferente. Es decir, las líneas de emisión individuales están claramente trazadas e incluso dominadas en el espectro; por ejemplo, la línea de emisión del radical neutro excitado OH* a 310 nm es claramente visible. Además, si alguna sustancia se disuelve en agua, sus líneas de emisión también aparecen en el espectro [1] . Todo esto atestigua irrefutablemente a favor del hecho de que el brillo en la sonoluminiscencia multiburbuja es de origen térmico. Dependiendo de las condiciones específicas, la temperatura de la región luminosa durante la sonoluminiscencia multiburbuja fue de 2000-5000 Kelvin [2] .
La marcada diferencia entre los espectros de la sonoluminiscencia de una sola burbuja y de múltiples burbujas condujo al surgimiento del punto de vista de que estamos hablando de fenómenos completamente diferentes. Sin embargo, a principios de la década de 2000, aparecieron artículos en los que se encontró una transición suave entre estos dos regímenes de sonoluminiscencia [3] . Después de estos trabajos, quedó claro que la sonoluminiscencia de una sola burbuja también tiene una naturaleza térmica, y su misterioso espectro se explica por la temperatura y la presión demasiado altas durante el colapso de una burbuja esféricamente simétrica, por lo que los radicales excitados individuales eliminan la excitación de manera colisionante. y no tengo tiempo para resaltar un fotón [4] .
Modelo teórico
Entonces, si la naturaleza de la luz es térmica, entonces es necesario explicar cómo se alcanzan temperaturas tan altas.
Actualmente se cree que el calentamiento del agua ocurre de la siguiente manera.
- Con la rápida compresión de la burbuja de cavitación, el vapor de agua experimenta un proceso cercano a la compresión adiabática. Al mismo tiempo, dado que el radio de la burbuja puede disminuir en un factor de decenas, es bastante posible calentar el vapor de agua en órdenes de magnitud, es decir, hasta varios miles de kelvin.
- Se sabe que la eficiencia de calentamiento en un proceso adiabático está determinada por el índice adiabático, que a su vez depende en gran medida del gas que estemos considerando. El calentamiento es más efectivo para gases monoatómicos, por lo que incluso pequeñas impurezas de gases inertes en el agua pueden afectar significativamente la eficiencia del calentamiento.
- La dependencia del brillo de la sonoluminiscencia con la temperatura del agua está determinada por el equilibrio entre el vapor de agua y los gases inertes dentro de la burbuja. Con una disminución en la temperatura del agua, la volatilidad de los vapores de gases inertes casi no cambia, mientras que la presión de los vapores de agua saturados cae bruscamente. Esto conduce a un mejor calentamiento del vapor durante la compresión de burbujas.
- Está claro que la burbuja inicial tiene una forma esférica no del todo regular. Durante el colapso, estas distorsiones de simetría aumentan y, como resultado, no es posible concentrar toda la energía inicial en un punto. Si con la cavitación de una sola burbuja, cuando las distorsiones iniciales son pequeñas, es posible reducir el radio de la burbuja en un orden de magnitud o más, entonces con la sonoluminiscencia de múltiples burbujas, las distorsiones iniciales no permiten que la burbuja se comprima fuertemente, que afecta a la temperatura final.
- En el caso de la sonoluminiscencia de una sola burbuja, en la última etapa del colapso de una burbuja de cavitación, las paredes de la burbuja desarrollan una velocidad de hasta 1–1,5 km/s, que es 3–4 veces la velocidad del sonido en la mezcla de gases. dentro de la burbuja. Como resultado, durante la compresión, surge una onda de choque convergente esférica , que luego, reflejada desde el centro, pasa nuevamente a través de la sustancia. Se sabe que la onda de choque calienta efectivamente el medio: al pasar por el frente de la onda de choque, la sustancia se calienta por M² veces, donde M es el número de Mach . Esto, aparentemente, conduce a un aumento de la temperatura en otro orden de magnitud y le permite llegar a cientos de miles de kelvin.
Modelo de Schwinger
Una explicación inusual del efecto de sonoluminiscencia, debida a Schwinger [5] , se basa en la consideración de cambios en el estado de vacío del campo electromagnético en la burbuja en el proceso de cambiar rápidamente la forma de esta última, desde un punto de vista cercano a lo que se suele utilizar al describir el efecto Casimir , cuando se considera el estado de vacío del campo electromagnético en un condensador plano, en función de las condiciones de contorno determinadas por las placas. (Ver también efecto Unruh ). Este enfoque fue desarrollado con más detalle en el trabajo de Claudia Eberlein [6] [7] .
Si esto es cierto, entonces la sonoluminiscencia es el primer ejemplo en el que la radiación asociada con un cambio en el estado de vacío se observa experimentalmente directamente.
Se han hecho argumentos de que la sonoluminiscencia está asociada con la conversión de demasiada energía en muy poco tiempo para ser consistente con la explicación anterior [8] . Sin embargo, otras fuentes creíbles argumentan que la explicación de la energía del vacío aún puede ser correcta [9] .
Aplicaciones de la sonoluminiscencia
Además del interés puramente científico asociado con la comprensión del comportamiento de un líquido en tales condiciones, la investigación sobre sonoluminiscencia también puede tener aplicaciones aplicadas. Hagamos una lista de algunos de ellos.
- Laboratorio de Química Subminiatura . Los reactivos disueltos en agua estarán presentes en el plasma durante el destello sonoluminiscente. Variando los parámetros del experimento, es posible controlar la concentración de los reactivos, así como la temperatura y la presión en este "microtubo" esférico. Entre las deficiencias de este método se encuentran
- ventana bastante limitada de transparencia del agua, lo que dificulta la observación de la reacción
- la incapacidad de deshacerse de la presencia de moléculas de agua y sus elementos, en particular de los iones de hidroxilo.
- Las ventajas de la técnica son
- la facilidad con la que es posible crear altas temperaturas de la mezcla de reacción.
- la capacidad de realizar experimentos de tiempo ultracorto, en la escala de picosegundos .
- La capacidad de iniciar una reacción termonuclear . Algunos grupos experimentales ( Ruzi Taleiarkhan ) afirman haber sido capaces de alcanzar temperaturas del orden de millones de kelvins en un destello sonoluminiscente mientras observaban los productos de una reacción termonuclear . La confirmación de los resultados de estos experimentos permitiría obtener un reactor termonuclear compacto . La situación, sin embargo, sigue siendo controvertida y requiere más investigación.
Véase también
- Luminiscencia
- Fluorescencia
- Fosforescencia
- bioluminiscencia
- quimioluminiscencia
- cavitación ultrasónica
Notas
- ↑ TJ Matula, RA Roy, PD Mourad, WB McNamara, KS Suslick. Comparación de espectros de sonoluminiscencia de burbujas múltiples y de una sola burbuja // Phys . Rvdo. Letón. . - 25 de septiembre de 1995. - Vol. 75, núm. 13 _ - Pág. 2602-2605. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ WB McNamara, YT Didenko, KS Suslick. Temperaturas de sonoluminiscencia durante la cavitación de múltiples burbujas (inglés) // Nature . - 21 de octubre de 1999. - No. 401 . - Pág. 772-775. — ISSN 0028-0836 . Archivado desde el original el 15 de mayo de 2010.
- ↑ O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, G. A. Williams. Espectro de luminiscencia de burbujas en agua creadas con láser // Phys . Rvdo. Letón. . - 21 de mayo de 2001. - Vol. 86, núm. 21 . - Pág. 4934-4937. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ K. Yasui. Sonoluminiscencia de burbuja única y multiburbuja // Phys . Rvdo. Letón. . - 22 de noviembre de 1999. - Vol. 83, núm. 21 . - Pág. 4297-4300. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ Julián Schwinger . Teoría de la fusión fría: una breve historia mía (inglés) // Energía infinita . - Marzo-Abril 1995. - Vol. 1, no. 1 . - Pág. 10-14. — ISSN 1081-6372 . Archivado desde el original el 25 de septiembre de 2008.
- ↑ Claudia Eberlein. Sonoluminiscencia como radiación de vacío cuántico // Phys . Rvdo. Letón. . - 3 de mayo de 1996. - Vol. 76, núm. 20 _ - Pág. 3842-3845. — ISSN 0031-9007 .
- ↑ Claudia Eberlein. Teoría de la radiación cuántica observada como sonoluminiscencia // Phys . Rvdo. A._ _ - Abril 1996. - Vol. 53, núm. 4 . - Pág. 2772-2787. — ISSN 1050-2947 . (Ver también en arXiv.org Archivado el 21 de junio de 2022 en Wayback Machine )
- ↑ Kimball A. Milton. Aspectos dimensionales y dinámicos del efecto Casimir: comprensión de la realidad y el significado de la energía del vacío (inglés) : versión preliminar. — arXiv.org , 21 de septiembre de 2000.
- ↑ S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser. Comentario sobre "Aspectos dimensionales y dinámicos del efecto Casimir: comprender la realidad y el significado de la energía del vacío " . — arXiv.org , 17 de octubre de 2000. Archivado desde el original el 29 de enero de 2022.
Literatura
- BP Barber et al, Phys. Rep. 281, 65 (1997)
- MP Brenner, S. Hilgenfeldt y D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002) (enlace no disponible)
- Margulis M. A. UFN, 2000, número 3, p.263-287
- K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Revisión de espectroscopia aplicada, 39(3), 399-436 (2004) .
Enlaces
- Sonoluminiscencia: acertijos, ideas, explicaciones.
- Crítica de la terminología
- Sonido con una temperatura de mil grados.
El camarón mantis (clicker) mata con sonido
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