Сонолюминесценция воды. Сонолюминесценция кавитационной области воды в атмосфере инертных газов тема диссертации и автореферата по ВАК 01.04.06, кандидат физико-математических наук Гордейчук, Татьяна Викторовна

Альтернативная энергия в Республике Молдова. Сонолюминесценция воды


Явление сонолюминесценции при кавитации - Альтернативная энергия в Республике Молдова

Привлечение гипотез о прохождении каких-либо ядерных реакций в кавитационном пузырьке на тех мощностях и энергиях, при которых функционируют уже ставшие традиционные вихревые теплогенераторы, несостоятельны. Превышение радиационного фона выше естественного возле работающего агрегата не выявлено. Если даже допустить прохождение еще не известных ядерных реакций, то выявление того, «генерального» направления повышения эффективности преобразования электрической энергии в тепловую, связано с неполным пониманием процессов, которые происходят в вихревых теплонагревателях.Несомненным поставщиком дополнительного тепла являются кавитационные процессы в жидкостях, которые используются в качестве рабочего тела. Кавитация, как физический процесс, сопровождается сонолюминесценцией, т.е. свечением жидкости. Есть много экспериментальных фактов, говорящих в пользу того, что это свечение сонолюминисценции имеет электрическое происхождение.

9773_html_m6746495aВ зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при сонолюминисценции, после прохождения разряда между стенками пузырька составляет, возможно, 2000-5000 град. С. В случае кавитации в чистой воде максимальная интенсивность сонолюминисценции происходит до 40 град. С. С повышением температуры свечение жидкости падает и соответственно падает температура в кавитационном пузырьке.

Если допустить возможность участия в процессе генерации избыточного тепла атомарного водорода, то наблюдаемый вариабельный коэффициент преобразования 1-1,4-1,6 получает приемлемое объяснение. В целом идея кавитационного теплонагревателя верна, но получение температуры до 3000 град. С в малом объеме кавитационного пузырька, таким экзотическим способом не оправдана. Конечно, объем в жидкости занятой кавитационными пузырьками велик, но фактически только до температуры 40 град С (в случае применения в качестве рабочего тела воды) нагревание идет с повышенным коэффициентом, а после идет прямое преобразование механической энергии потока в тепловую энергию. При температуре в пузырьке 2000- 5000 град. С, часть находящегося в нем пар разлагается на составные газы и, по всей видимости, происходит ионизация водорода. Но при таких температурах только часть (10-15%) молекулярного водорода переходит в ионизированное состояние.

Большое количество энергии, выделяющейся при образовании молекулы водорода, объясняет её устойчивость при обычных условиях. Вместе с тем оно же наводит на мысль о возможности термической диссоциации (разложения при нагревании) молекулы Н2, если сообщить ей достаточное количество тепла. Опыт показывает, что заметная термическая диссоциация водорода начинается примерно с 2000 °С и происходит тем в большей степени, чем выше температура. Наоборот, при понижении температуры отдельные атомы вновь соединяются в молекулы.

Очевидно, что затрачиваемая энергия (энергия диссоциации) должна быть восполнена энергией, выделяющуюся при рекомбинации атомов водорода с введённым в реакцию веществом. Следовательно, можно ожидать, что реакция водорода, при которых выделяется дополнительное тепло, не будет протекать самопроизвольно. В случае взаимодействия веществ с атомарным водородом такой затраты энергии на диссоциацию уже не требуется.

9773_html_m6a68443fВ этом отношении стоит обратить внимание на процесс, который был основан на открытии диссоциации и рекомбинации атомарного водорода, сделанном Ирвингом Лангмюром в 1912 году. После этого Лангмюр изобрел сварку атомарным водородом. При этом процессе «обычный» двухатомный водород пропускается через электрическую дугу, которая разлагает его на атомарный водород.

Атомарный водород рекомбинирует на поверхности (обрабатываемого) металла, создавая очень высокую температуру. К 1963 году этот процесс сварки уже считался устаревшим.

9773_html_5729e1b6Концепция получения дополнительного тепла основана на том факте, что общая мощность в ваттах, необходимая для проведения сварки атомарным водородом, в действительности меньше, чем мощность, необходимая для выполнения такой же работы обычным сварочным трансформатором. Некоторая часть этого снижения в электропотреблении может быть отнесена на счет большей концентрации тепла. Маловероятно, что этого достаточно для такого значительного снижения электрической энергии. В конце концов, обычный сварочный трансформатор тоже незначительно рассеивает тепло. Такой же вид снижения потребления электричества наблюдается у сходных устройств для плазменной сварки.

Если за процесс генерирования дополнительного тепла ответственен атомарный водород, то возможен более простой и удобный путь его получения, нежели в кавитационных агрегатах.

Атомарный водород удобно получать действием на обычный водород электрического разряда. Осуществление этого способа было достигнуто при плазменном электролизе водных растворов. Эксперименты показали, что после подачи на электроды напряжения свыше 300-т Вольт, вольфрамовый электрод (-) оплавлялся и закипал. Температура кипения вольфрама 5900 град. С и это свидетельствует о том, что выделение некоторой части молекулярного водорода на катоде проходит стадию атомарного состояния. А как мы увидели выше, рекомбинация водорода в молекулу сопровождается избыточным тепловыделением. Но при такой температуре (5900 град. С) закипание электрода приведет к поломке агрегата, поэтому приходится снижать напряжение на электродах и «держаться» в районе температур до 2000 град. С. Но при этой температуре только малая (до 10-15%) часть выделяющегося водорода проходит стадию ионизации-рекомбинации. Соответственно коэффициент дополнительного тепла, которое можно получить в системе остается на уровне 1-1,4-1,7.

 

Практическая реализация плазменного теплогенератора.

Основным изменением условия проведения электролиза является то, что в качестве электрода, контактирующего с электролитом, является плазма. Здесь возможно три варианта. В качестве электрода может выступать плазменный катод, плазменный анод и случай их совместного горения в одном объеме. Наблюдается, как и при обычном электролизе, выделение гремучего газа, но не описываемое законом Фарадея. Выходы по току кислорода и водорода, наблюдавшиеся в тлеющем и контактном разрядах при всех условиях значительно превышают единицу. По выработке тепловой энергии также наблюдается аномалия. При затрате электрической энергии 1 кВт/ч на плазменный электролиз, выход тепловой энергии в случае катодной плазмы до 1,5кВт/ч., при условии рекомбинации водорода и кислорода и использовании их энергии сгорания на нагрев электролита.

Очевидно, природа аномального тепловыделения состоит в том, что при плазменном электролизе возможен ход электрохимической реакции, при котором выделение водорода и кислорода проходит стадию атомарного состояния и только затем газы соединяются в молекулу с выделением дополнительной энергии. Полагается, что при обычном электролизе соотношение между вложенной и полученной энергией от сгорания продуктов разложения, как известно равно 1 / 1. Это происходит в случае выделения молекулярного кислорода и водорода. Энергия сгорания этих газов выделит ту же затраченную энергию, которая использовалась на разложение электролита на водород и кислород. Это соотношение определяется базовым уравнением:

Где 241,6 кДж/моль – энергия сгорания водорода и кислорода и превращение их в парообразную воду и 43,9 кДж/моль энергия конденсации паров воды в жидкое состояние.

Если выделяемый водород в плазме пройдет стадию выделения в атомарном виде, то при соединении в молекулу выделится энергия:

Эта энергия и есть прибавка к выделяемому теплу в эксперименте на уровне 1 / 1,4-1,6.

В случае горения анодной плазмы и выделения кислорода, стоит предположить, что идет реакция соединения кислорода в молекулу с выделением энергии:

Общий баланс энергий на плазменное разложение электролита и рекомбинационных процессов при сгорании и конденсации паров воды дают выход тепловой энергии равной:

286 + 436 + 143 = 865 кДж/ моль

А затраты энергии на разложение электролита водород и кислород составляют:

Н2О=Н2 + ½ О2 – 286 кДж/ моль

Как видим при плазменном электролизе происходит выделение тепловой энергии превышающее вложенную. Источником этой дополнительной энергии является измененный процесс обычного электролиза, и классический закон в чистом виде не может это описать, что подтверждается экспериментально. Далее следует осторожно применять общую классическую формулировку, что сумма всех энергий в замкнутой системе равна нулю, т.к. затрагивая вопросы перехода вещества от атомарного уровня к молекулярному, мы вторгаемся в область строения электронных оболочек и систему навряд ли можно назвать замкнутой.

Немало важным моментом в цепи питания плазменного отопительного котла может, является присутствие индуктивности. В электротехнике индуктивность всегда была «темной лошадкой». При установившемся синусоидальном токе поведение индуктивности просчитывается по известным формулам, которые удовлетворительно описывают практические применения. В случае, если в электрической цепи текут несинусоидальные токи самой разнообразной формы и тем более в случае их асимметричности по амплитуде и времени, то известные формулы для расчета характеристик индуктивности, можно применять с большой осторожностью.

Известны переходные процессы в электрических машинах, которые содержат индуктивности, при замыкании и размыкании электрической цепи. Возникающие при этом перенапряжения и броски тока, превышающие номинал в 8-10 раз, по умолчанию обычно списывают на источник электрической мощности, к которой подключается электрическая машина. Если представить плазменный промежуток как прерыватель тока, то возможен случай, когда переходный процесс в индуктивности еще не закончился, а следующий период переходного процесса накладывается один на другой. В этом случае возможно и таится аномалия избыточного энерговыделения в электрических цепях, которые содержат индуктивности. Возникающая реактивная мощность в цепи – это, как пишут в учебниках электротехники, обмен энергиями между генератором и индуктивностью.

Здесь большую роль играет частота тока и соотношение L / Rом. (где L- индуктивность, Rом – омическое сопротивление провода). Третьим фактором выступает сила намагничивающего тока протекающего в индуктивности и масса магнитопровода.

На основании проведенных экспериментов и в «живую» созданного теплогенератора, решено было оформить патент на плазмохимический генератор:

Н05Н1/24-1/52

Плазмохимический теплогенератор.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплогенераторам, и предназначено для использования в качестве системы для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных помещений.

Известен способ получения тепловой энергии, водорода и кислорода (Патент РФ №2228390). Известный способ состоит в том, что при разной площади положительного и отрицательного электрода, контактирующих с раствором электролита, на отрицательном остроконечном, меньшем по площади, электроде из-за высокой плотности тока возникает плазма. Происходит так называемый, плазменный электролиз. При этом, выделяющийся на отрицательном электроде водород проходит стадию атомарного состояния и затем, после выхода из зоны действия плазмы соединяется в молекулу с выделением энергии.Известно, что соединение атомов водорода в молекулу идет с выделением энергии (ЖФХ, 1998, том 72,№4, с.765-768) по формуле:

Н + Н—–Н2 + 436,0 кДж/моль,

что приводит к дополнительному нагреву раствора электролита.

К недостаткам данного способа получения тепловой энергии можно отнести, то что, на положительном, большем по площади электроде, идет выделение молекулярного кислорода без прохождения стадии атомарного состояния, а также отсутствие в вышеприведенном способе устройства для использования энергии сгорания водорода и кислорода.

В основу изобретения поставлена задача повышения энергетических показателей теплотворной способности плазменного электролиза, создание безопасного устройства для рекомбинации водорода и кислорода, повышение КПД преобразования электрической энергии в тепловую.

Поставленная задача достигается тем, что применение остроконечных электродов равных площадей позволяет осуществить одновременное горение в одном объеме анодной и катодной плазмы, что повышает тепловыделение. Так как выделяющийся кислород на положительном электроде проходит стадию выделения в атомарном виде и после выхода из зоны плазмы, так же как и водород, соединяясь в молекулу, выделяет энергию по формуле:

(1/2)(О+О)——О2+246,2кДж/моль.

Одновременное горение анодной и катодной плазмы в одном объеме технически трудноосуществимо, но разработка собственной оригинальной схемы электрического питания, позволило добиться этого эффекта.

Плазмохимический теплогенератор содержит в электрической цепи питания постоянного тока индуктивность, которая при горении плазмы в теплогенераторе выделяет тепло, и к своему омическому сопротивлению еще добавляется волновое сопротивление, т.к. при горении плазмы в цепи постоянного тока идет периодическое прерывание электрической цепи. Индуктивность сконструирована таким образом, что выделяемое в ней тепло подводится к электролиту.

Предлагаемое техническое решение представлено на чертеже.

Фиг.1- представлена принципиальная схема плазмохимического генератора тепла.

Плазмохимический генератор состоит из корпуса рабочей камеры 1, остроконечных электродов 2, в диэлектрической термостойкой изоляции 3, циркуляционного насоса 5, индуктивности 6, теплообменника 7, омывающей емкости 8, газонакопителя 9, газоотделителя 10, рабочей камеры сгорания водорода и кислорода 11 и устройства поджога смеси водорода и кислорода 13.

Плазмохимический теплогенератор работает следующим образом.

Организуют направление протока электролита 14 циркуляционным насосом 5. При подаче электрического тока на электроды 2 формируется область горения анодной и катодной плазмы 4. В этой области происходит интенсивный нагрев и разложение электролита на водород и кислород. Образующиеся пузырьки газа выносятся потоком электролита 14 из рабочей камеры 1 и поступают в омывающую емкость 8 и далее проходят в теплообменник 7. После выхода из теплообменника в газоотделителе 10 пузырьки газа поднимаются вверх архимедовой силой через область газонакопителя 9 и собираются в герметичной воздушной полости 11. По мере накопления горючего газа в полости 11, уровень электролита 12 в газонакопителе 9 понижается. Устройством 13 осуществляется поджог горючей смеси с выделением тепловой энергии, которая передается корпусу газонакопителя 9 и омывающей емкости 8. Уровень электролита 12 возвращается на прежний уровень и цикл повторяется.

Электролит после прохождения теплообменника 7 отдает аккумулированное тепло и охлажденным проходит внутреннею полость индуктивности 6, где получает дополнительный нагрев. Далее электролит после газоотделения поступает в циркуляционный насос 5 и подается в рабочую камеру 1.

Система является герметичной и при своей работе не требуется добавление электролита, т.к. при разложении электролита на составляющие газы происходит убыль, а при рекомбинации в полости 11 этот же объем разложившегося электролита возвращается в систему.

Заявитель А.П. Хрищанович

Формула изобретения

1. Устройство для получения тепловой энергии, что состоит из по крайней мере из двух и более плазменных промежутков, образованных на концах электродов в составе раствора электролита, отличается тем, что плазма одновременно образуется на положительном и отрицательном электроде.

2. Устройство для получения тепловой энергии, отличается тем, что выделяющийся водород и кислород рекомбинирует в устройстве с выделением тепла.

Заявитель А.П. Хрищанович

Реферат

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплогенераторам, и предназначено для использования в качестве системы для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных помещений.

Устройство для получения тепловой энергии содержит рабочую камеру, в которой образуется высокотемпературная анодная и катодная плазма, что способствует повышению коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую.

www.alternativenergy.md

Диссертация на тему «Сонолюминесценция кавитационной области воды в атмосфере инертных газов» автореферат по специальности ВАК 01.04.06 - Акустика

1. Walton A.J., Reynolds G.T. Sonoluminescense 1.I Adv.Phys. - 1984. - Vol. 33, No 6. - P. 595-660.

2. Suslisk K.S., Cram L.A. Sonochemistry and Sonoluminescence // Handbook of acoustics / Ed. M.J. Crocker. N.Y.: Wiley-Interscience, 1998. - P. 243-253.

3. Frenzel H., Schultes H. Lumineszenze im ultraschell-beschickten wasser // Z. Phys. Chem. Abt. B. 1934. - Vol. 27B. - P. 421-424.

4. Gaitan D.F., Crum L.A., Churh C.C., Roy R.A. Sonoluminescence and bubble dynamics for a single, stable, cavitation bubble // J. Acoust. Soc. Am. 1992. -Vol. 91, N6.-P. 3166-3181.

5. Taleyarkhan R.P., West C.D., Cho J.S., Lahey R.T., Nigmatulin R.I., Block R.C. Evidence for nuclear emission during acoustic cavitation // Science. 2002. -Vol.295. - P. 1868-1873.

6. Barber B.P., Hiller R., Arisaka K., Fetterman H., Putterman S. Resolving the picosecond characteristics of synchronous sonoluminescence // J. Acous. Soc. Am. 1992.-Vol. 91, N5.-P. 3061-3063.

7. Lohse D., Brenner M., Hildenfeldt S. Single-bubble sonoluminescence // Rev. Mod. Phys. 2002. - Vol. 74. - P. 425-484.

8. Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкостях // Физическая акустика / Под ред. Б. Мэзона. М.: Мир, 1967. - Ч. 1Б. - С. 7-138.

9. Маргулис М.А. Сонолюминесценция // УФН. 2000. - Т. 170, N 3. - С. 263287.

10. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. - 687 с.

11. Plesset M.S., Prosperetti A. Bubble dynamics and cavitation // Annu. Rev. Fluid Mech. 1977. - Vol. 9. - P. 145-185.

12. Verral R.E., Sehgal C.M. Sonoluminescence // Ultrasound: Its chemical, physical and biological effects / Ed. K. Suslick. VCH, Weinheim (Germany), 1988.-P. 227-286.

13. Rayleight L. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // Philos. Mag. 1917. - Vol. 34. - P. 94-98.

14. Harway E.N., Barnes D.K., McElroy W.D., Whiteley A.H., Pease D.C. Removal of gas nuclear from liquids and surface // J. Am. Chem. Soc. 1945. -Vol. 67-P. 156.

15. Перник А.Д. Проблемы кавитации. JI.: Судпромгиз, 1963. - 335 с.

16. Minnaert М. On musical air-bubbles and the sounds of running water // Phil. Mag. 1933. - Vol. 16, N 7. - P. 235-238.

17. Blake F.G.: Ph.D. thesis. Harvard University. 1949.

18. Noltingk B.E., Neppiras E.A. Cavitation produced by ultrasonics // Proc. Phys. Soc. London. 1950. - Sect. В 63. - P. 674-685.

19. Neppiras E.A., Noltingk, B.E. Cavitation produced by ultrasonics:Teoretical conditions for the outset of cavitation // Proc. Phys. Soc. London. 1951. -Sect. В 64.-P. 1032-1038.

20. Atchley A.A., Crum L.A. Acoustic cavitation and bubble dynamics: In Ultrasound: Its Chemical, Physical and Biological Effects / Ed. K. Suslick. VCH, Weinheim (Germany), 1988. - P. 1-63.

21. Suslick K.S., Doktycz S.J., Flint E.B. On the origin of sonoluminescence and sonochemistry // Ultrasonics. 1990. - Vol. 28, N 9. - P. 280-290.

22. Иличев В.И. О влиянии коагуляции зародышей на кавитационную прочность жидкости // Акуст. журн. 1967. - Vol. 13, N 2. - Р. 300-301.

23. Агрест Э.М., Кузнецов Г.Н. Дрейф газовых каверн в неоднородном звуковом поле // Акуст. журн. 1972. - Vol. 18, N 2. - Р. 168-172.

24. Mason T.J., Lorimer J.P. Sonochemistry: Theory, Applications and Uses of Ultrasound in Chemistry / Ed. T.J. Kemp. Ellis Horwood, Chichester, UK, 1988.

25. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. -М.: Наука, 1968. С. 167-220.

26. Акуличев В.А. Пульсации кавитационных полостей // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. - С. 129166.

27. Розенберг Л.Д. Кавитационная область // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. - С. 221-266.

28. Plesset М. The dynamics of cavitation bubbles // J. Appl. Mech. 1949. -Vol. 16. - P. 277.

29. Poritsky H.: Proceedings of the first U.S. national congress on applied mechenics / Ed. E. Sternberg. New York, 1952. - P. 813-821.

30. Акуличев B.A., Розенберг Л.Д. О некоторых соотношения в кавитационной области // Акуст. журн. 1965. - Т. 11, N 3. - С. 287-293.

31. Акуличев В. А. Экспериментальное исследование элементарной кавитационной области // Акуст. журн. 1968. - Т. 14, N 3. - С. 337-343.

32. Сиротюк М.Г. Об энергетике и динамике кавитационной области // Акуст. журн. 1967. - Т. 13, N 2. - С. 265-269.

33. Казанцев В.Ф. Движение газовых пузырьков в жидкости под действием сил Бьеркнеса, возникающих в акустическом поле // Докл. АН СССР. 1959. -Т. 129,N 1. - С. 64-67.

34. Розенберг Л.Д., Сиротюк М.Г. Об излучении звука в жидкость при наличии кавитации // Акуст. журн. 1960. - Т. 6, N 4. - С. 478-481.

35. Агрест Э.М., Кузнецов Г.Н. Динамика распределения пузырьков по размерам в акустических полях // Акуст. журн. 1974. - Т. 20, N 3. - С. 345351.

36. Suslick K.S. The chemical effects of ultrasound // Scient. Am. 1989. Vol. 260, N 2 - P. 80-86.

37. Suslick K.S. Sonochemistry // Science. 1990. - Vol. 247. - P. 1439-1445.

38. Маргулис M.A. Исследование электрических явлений, связанных с кавитацией. II. К теории возникновения сонолюминесценции и звукохимических реакций // ЖФХ. 1985. - Т. 59. - С. 1497-1503.

39. Suslick K.S., Doktycz S.J., Flint E.B. On the origin on sonoluminescence and sonochemistry // Ultrasonics. 1990. - Vol. 28. - P. 280-290.

40. Suslick K.S., Hammerton D.A., Cline R.E., Jr. The sonochemical hot spot // J. Am. Chem. Soc. 1986. - Vol. 108, N 18. - P. 5641-5642.

41. Doktycz S.J., Suslick K.S. Interpaticle collisions driven by ultrasound // Science. 1990. - Vol. 247. - P. 1066-1069.

42. Аграиат Б.А., Башкиров В.И., Китайгородская Ю.И. Ультразвуковая очистка: Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970. -165 с.

43. Макаров Л.О., Розенберг Л.Д. О механизме ультразвуковой очистки // Акуст. журн. 1957. - Т. 3, N 4. - С. 37-41.

44. Lauterborn W. Cavitation and coherent optics // Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics / Ed. W. Lauterborn. Berlin, Heidelberg, New York, 1980. - P. 35-41.

45. Henglein A., Gutierres M. Sonochemistry and sonoluminescence: Effect of external pressure//J. Phys. Chem. 1993. - Vol. 97, N 1. - P. 158-162.

46. Chenke P.K., Fogler H.S. Effect of pressure on the intensity and spectral distribution on the sonoluminescence of water // J. Phys. Chem. 1983. - Vol. 87, N9.-P. 1644-1646.

47. McNamara III W.B., Didenko Y.T., Suslick K.S. Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation //Nature (London). 1999. - Vol. 401. - P. 772-775.

48. Storey B.D., Szeri A.J. Water vapour, sonoluminescence and sonochemistry // Proc. R. Soc. London. Ser. A. 2000. - Vol. 456. - P. 1685-1709.

49. Sehgal C., Sutherland R.G., Verrall R.E. Sonoluminescence intensity as a function of bulk solution temperature // J. Phys. Chem. 1980. - Vol. 84. - P. 525528.

50. Gabrielly I., Iernetti G., Lavenia A. Sonoluminescence and cavitation in some liquids// Acustica. 1967. - Vol. 18. - P. 173-179.

51. Диденко Ю.Т., Настич Д.Н., Пугач С.П., Половинка Ю.А., Квочка В.И. Спектры сонолюминесценции воды при различных температурах // ЖФХ. -1994. Т. 68, N 11. - С. 2080-2085.

52. Hickling R. Effects of thermal conduction in sonoluminescence // J. Acoust. Soc. Am. 1963. - Vol. 35, N 7. - P. 967-974.

53. Young F.R. Sonoluminescence from water containing dissolved gas // J. Acoust. Soc. Am. 1976. - Vol. 60, N 1. - P. 100-104.

54. Ciuti P., Iernetti G., Tomasini F. Pulsed ultrasonic cavitation. Part IV: Light emission in different gas-water systems //Acustica. 1991. - Vol. 73. - P. 277-282.

55. Didenko Y.T., Pugach S.P. Spectra of water sonoluminescence // J. Phys. Chem. 1994. - Vol. 98, N 39. - C. 9742-9749.

56. Taylor K.J, Jarman P.D. The spectra of sonoluminescence // Aust. J. Phys. -1970. Vol. 23, No 3. - P. 319-334.

57. Sehgal C., Sutherland R.G., Verrall R.E. Optical spectra of sonoluminescence from transient and stable cavitation in water saturated with various gases // J. Phys. Chem. 1980. - Vol. 84, N 4. - P. 388-395.

58. Didenko Y.T., Gordeychuk T.V., Koretz V.L. The effect of ultrasound power on water sonoluminescence // J. Sound and Vibration 1991. - Vol. 147, No 3. -P. 409-416.

59. Маргулис M.A. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. -М.: Химия, 1986. -288 с.

60. Маргулис М.А., Акопян В.Б. Экспериментальное исследование зависимости скорости звукохимических реакций и сонолюминесценции от интенсивности ультразвуковых волн // ЖФХ. 1978. - Т. 52, N 3. - С. 601-604.

61. Marinesco N., Trillat J.J. Action des ultrasons sur les plaques photographiques // Proc. R. Acad. Sci. Amsterdam. 1933. - Vol. 196. - P. 858-860.

62. Harvey E.N. Sonoluminescence and sonic chemiluminescence П J. Am. Ceram. Soc. 1939. - Vol. 61. - P. 2392-2398.

63. Moss W.C., Clarke D.B., Young D.A. Calculated pulse widths and spectra of a single sonoluminescing bubble // Science. 1997. - Vol. 276. - P. 1398-1401.

64. Hilgenfeldt S., Grossmann S., Lohse D. A simple explanation of light emission in sonoluminescence // Nature (London). 1999. - Vol. 398. - P. 402-405.

65. Левшин В.Л., Ржевкин С.Н. К вопросу о механизме свечения жидкостей при воздействии ультразвука // ДАН СССР. 1937. - Т. 16. - С. 407-412.

66. Френкель Я.И. Об электрических явлениях, связанных с кавитацией, обусловленной ультразвуковыми колебаниями в жидкости // ЖФХ. 1940. -Т. 14. - С. 305-308.

67. Degrois М., Baldo P. A new electrical hypothesis explaning sonoluminescence, chemical actions and other aspects, produced in gaseous cavitation // Ultrasonics. -1974.-Vol. 12.-P. 25-28.

68. Маргулис M.A. Исследование электрических явлений, связанных с кавитацией. I.06 электрических теориях химического и физико-химического действия ультразвука // ЖФХ. 1981. - Т. 55, N 1. - С. 154-158.

69. Sehgal С., Verrall R.E. A review of the electrical hypothesis of sonoluminescence // Ultrasonics. 1982. - Vol. 20. - P. 37-37.

70. Sehgal C., Sutherland R.G., Verrall R.E. Sonoluminescence from aqueus solutions of Br2 and I2 // J. Phys. Chem. 1981. - Vol. 85, N 4. - P. 315-317.

71. Диденко Ю.Т., Корец В.Л., Пугач С.П. Спектры сонолюминесценции водного раствора хлорида натрия. Владивосток, 1989. - 11с. - Деп. в ВИНИТИ. №3178.

72. Диденко Ю.Т., Корец В.Л., Пугач С.П. Спектры сонолюминесценции водных растворов хлоридов кальция и магния в атмосфере аргона и ксенона. Владивосток, 1989. - 15 с. - Деп. в ВИНИТИ. № 3176.

73. Чмиленко Ф.А., Бакланов А.Н. Определение щелочных и щелочноземельных элементов в поваренной соли и хлориде натрия методом сонолюминесценции // ЖАХ. 2000. - Т. 55, N 12. - С. 1281-1284.

74. Маргулис М.А. Исследование электрических явлений, связанных с кавитацией. II. К теории возникновения сонолюминесценции и звукохимических реакций // ЖФХ. 1985. - Т. 59. - С. 1497-1503.

75. Flint Е.В., Suslick K.S. Sonoluminescence from nonaqueous liquids: emission from small molecules // J. Am. Chem. Soc. 1989. - Vol. Ill, No 18. - P. 69876992.

76. Диденко Ю.Т. О механизме возникновения сонолюминесценции воды // Оптика и спектроскопия. 1994. - Т. 76, N 6. - С. 959-964.

77. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М., 1984. - 519 с.

78. Suslick K.S., Kemper К.А. Abstr. Third Meeting of the Europ. Soc. Sonochem. Portugal. - 1993. - P. 106-107.

79. Barber B.P., Putterman S.J. Light scattering of the repetitive supersonic implosion of a sonoluminescecing bubble // Phys. Rev. Let. 1992. - Vol. 69, N26. - P. 3839-3842.

80. Flint E.B., Suslick K.S. The temperature of cavitation // Science. 1991. - Vol. 253. - P. 1397-1399.

81. Gunther P., Zeil W., Grisar U., Heim E.Z. Experiments on sonoluminescence of aqueous solutions //Electrochem. 1957. - Vol. 61. - P. 188-201.

82. Srinivasan D., Holroyd L.V. Optical spectrum of the sonoluminescence emitted by cavitated water // J. Appl. Phys. 1961. - Vol. 32, N 3. - P. 446-453.

83. Prudhomme R.O., Guilmart Th. Photogenese Ultraviolette par Irradiation de L'eau en Presence des Gas Rares II J. Chim. Phys. 1957. - Vol. 45. - P. 336.

84. Griffing V. The chemical effects of ultrasonics // J. Chem. Phys. 1952. -Vol. 20, N 6. - P. 939-942.

85. Jarman P. Sonoluminescence: a disscusion // J. Acoust. Soc. Am. 1960. -Vol. 32. - P. 1459.

86. Matula T.J., Crum L.A. Sonoluminescense: Shoking revelations // Science. -1997. Vol. 276. - P. 1348-1349.

87. Sehgal С., Sutherland R.G., Verrall R.E. Sonoluminescence of NO- and N02 -saturated water as a probe of acoustic cavitation // J. Phys. Chem. 1980. - Vol. 84, N4. - P. 396-401.

88. Sehgal C., Sutherland R.G., Verrall, R.E. Selective quenching of species that produced sonoluminescence // J. Phys. Chem. 1980. - Vol. 84, N 5. - P. 529-531.

89. Didenko Y.T., Gordeychuk T.V., Koretz V.L. The effect of ultrasound power on water sonoluminescence // J. Sound Vibr. 1991. - Vol. 147, No 3. - P. 409416.

90. Saksena Т.К., Nyborg W.L. Sonoluminescence from stable cavitation // J. Chem. Phys. 1970. - Vol. 53, N 5. - P. 1722-1734.

91. Suslick K.S., Flint E.B. Sonoluminescence from non-aqueous liquids //Nature (London). 1987. - Vol. 330. - P. 553-555.

92. Barber B.P., Hiller R.A., Lofstedt R., Putterman S.J., Weninger K.R. Defining the unknowns of sonoluminescence // Phys. Rep. 1997. - Vol. 281. - P. 65-143.

93. Barber B.P., Putterman S.J. Observation of synchronous picosecond sonoluminescence //Nature (London). 1991. - Vol. 352. - P. 318-320.

94. Hiller R., Putterman S.J., Barber B.P. Spectrum of synchronous picosecond sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1992. - Vol. 69, N 8. - P. 1182-1184.

95. Смородов E.A., Курочкин A.K., Валитов Р.Б., Маргулис М.А. Исследование механизма сонолюминесценции. II. Изучение формы светового импульса сонолюминесценции // ЖФХ. 1986. - Т 60. - С. 1234.

96. Gompf В., Gunther R., Nick G., Pecha R., Eisenmenger W. Resolving sonoluminescence pulse width with time-correlated single photon counting // Phys. Rev. Lett. 1997. - Vol. 79, N 7. - P. 1405-1408.

97. Hiller R., Weninger K., Putterman S.J., Barber B.P. Effect of noble gas doping in single-bubble sonoluminescence // Science. 1994. - Vol. 266. - P. 248-250.

98. Matula T.J., Roy R.A., Mourad P.D., McNamara III W.B., Suslick K.S. Comparison of multibubble and single-bubble sonoluminescence spectra // Phys. Rev. Lett. 1995. - Vol. 75, N 13. - P. 2602-2605.

99. Weninger K.R., Hiller R.A., Barber B.P., Lacoste D., Putterman S.J. Sonoluminescence from single bubbles in nonaqueous liquids—new parameter space for sonochemistry // J. Phys. Chem. 1995. - Vol. 99. - P. 14195.

100. Lohse D., Brenner M.P., Dupont T.F., Hilgenfeldt S., Johnston B. Sonoluminescing air bubbles rectify argon // Phys. Rev. Lett. 1997. - Vol. 78, N7. - P. 1359-1362.

101. Crum L.A. Sonoluminescence // Phys. Today. 1994. - Vol. 47. - P. 22-29.

102. Bernstein L., Zakin M. Confined electron model for single bubble sonoluminescence // J. Phys. Chem. 1995. - Vol. 99. - P. 14619-14627.

103. Маргулис M.A., Дмитриева А.Ф. Тушение сонолюминесценции различными добавками // ЖФХ. 1992. - Т. 66, N 5. - С. 1409-1413.

104. Sehgal С., Steer R.P., Sutherland R.G., Verrall R.E. Sonoluminescence of aqueous solutions // J. Phys. Chem. 1977. - Vol. 81, N. 26. - P. 2618-2620.

105. Didenko Y.T., McNamara III W.B., Suslick K.S. Temperature of multibubble sonoluminescence in water // J. Phys. Chem. A 1999. - Vol. 103. - P. 1078310788.

106. Young J.B., Nelson J.A., Kang W. Line emission in single bubble sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. - 2001. - Vol. 86, N 12. - P. 2673-2676.

107. Didenko Y.T., McNamara III W.M., Suslick K.S. Molecular emission from single bubble sonoluminescence // Nature (London). - 2000. - Vol. 407. -P. 877-879.

108. Гордейчук T.B., Диденко Ю.Т. Ячейка для исследования спектров сонолюминесценции: Удостоверение на рац. предложение № 97/3 от 17.10.1988 г.

109. Mead E.L., Sutherland R.G., Verrall R.E. The effect of ultrasound on water in the presence of dissolved gases // Can. J. Chem. 1976. - Vol. 54, No 7. -P. 1114-1120.

110. Маргулис М.А., Грундель JI.M. Исследование ультразвукового свечения вблизи порога кавитации. I. Возникновение предпорогового свечения жидкостей в ультразвуковом поле // ЖФХ. 1981. - Т. 55, N 3. - С. 687-691.

111. Didenko Y.T., Gordeychuk T.V., Koretz V.L. Effect of ultrasound power on spectral distribution and sonoluminescence intensity of water: Abstr. IUTAM Sympos. on Adiabatic Waves in Liquid vapor Systems. - Gottingen. - 1989. -P. 13-15.

112. Диденко Ю.Т., Гордейчук T.B., Корец B.JI. Влияние мощности ультразвукового облучения на спектральный состав и интенсивность сонолюминесценции воды. Владивосток, 1989. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ. №3177.

113. Didenko Y.T., Pugach S.P., Gordeychuk T.V. The spectra of cavitation light emission: Proc. Int. Sympos. "Cavitation-95". Deauville, France. - 1995. - P. 313319.

114. Didenko Y.T., Gordeychuk T.V. .Multibubble sonoluminescence spectra of water which resemble single bubble sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 2000. -Vol. 84, N24. - P. 5640-5643.

115. Гордейчук T.B. Влияние статического давления на спектры сонолюминесценции воды кавитационной области // Электронный журнал "Исследовано в России". 2002. - Т. 131. - С. 1472-1475.

116. Гордейчук Т.В., Диденко Ю.Т., Пугач С.П. Спектры сонолюминесценции воды на высокой и низкой частотах ультразвука // Акуст. журн. 1996. - Т. 42, N 2. - С. 274-275.

117. Didenko Y.T., Pugach S.P., Gordeychuk T.V. The spectra of water sonoluminescence: The effect of ultrasound frequency: Abstr. of the 4th Meeting of the EES. Blankenberg, Belgium. - 1994. - P. 23-24.

118. Диденко Ю.Т., Пугач С.П., Гордейчук Т.В. Спектры сонолюминесценции воды: влияние мощности ультразвукового облучения // Оптика и спектроскопия. 1996. - Т. 80, N 6. - С. 913-919.

119. Didenko Y.T., Pugach S.P., Gordeychuk T.V. Ultrasound power effects on water sonoluminescence: Abstr. of the 2nd Int. Sympos. on Cavitation. Tokyo, Japan. - 1994. - C. 287-291.

120. Weninger K.R., Camara C.G., Putterman S.J. Observation of bubble dynamics within luminescent cavitation clouds: Sonoluminescence at the nano-scale // Phys. Rev. E. 2000. - Vol. 63. - P.016310 - 016310.

121. Gordeychuk T.V., Didenko Y.T., Suslick K.S. Spectra of multibubble water sonoluminescence: Abstr. of the 6th Meeting of the EES. Rostock-Warnemunde, Germany. - 1998. - P. 60.

122. Sehgal C., Steer R.P., Sutherland R.G., Verrall R.E. Sonoluminescence of argon-saturated alkali metal salt solutions as a probe of acoustic cavitation // J. Phys. Chem. 1980. - Vol. 84, N 5. - P. 529-531.

123. Герцберг Г. Электронные спектры и строение многоатомных молекул. -М.: Мир, 1969. 772 с.

124. Engel V., Meijer G., Bath A., Andersen P., Schinke R. The С —» A emission in water: Teory and experiment // J. Chem. Phys. 1987. - Vol. 87, N 8. - P. 43104314.

125. Смирнов Б.М. Эксимерные молекулы // УФН. 1983. - Т. 139, N 1. -С. 53-81.

126. Lemair J.L., Tchang-Brillet W.U.L., Shafizadeh N., Rostas F., Rostas J. Observation of an excimer emission band of the argon-hydroxyl (ArOD) van der Waals molecule // J. Chem. Phys. 1989. - Vol. 91, N 11. - P. 6657-6663.

127. Kaneko M., Mori Y., Tanaka I. Electronic quenching and rotational rate of2 "b

128. OH* (z£ ) produced by vacuum-ultraviolet photodecomposition of water // J. Chem. Phys. 1968. - Vol. 48, N 10. - P. 4468-4473.1. ЛИТЕРАТУРА128

129. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М., 1974. - 558 с.

130. CRC hardbook of thermophysical and thermochemical data / Eds. D.R. Lide, H.V. Kehiain. CRC Press Boka Raton, 1978.

131. Didenko Y.T., McNamara III W.B., Suslick K.S. Effect of noble gases on sonoluminescence temperatures during multibubble cavitation // Phys. Rev. Lett. -2000. Vol. 84, N 4. - P. 777-780.

132. Young F.R. Sonoluminescence from water containing dissolved gases // J. Acoust. Soc. Am. 1976. - Vol. 60, N 1. - P 100.

133. Hiller R., Putterman S.J., Barber B.P. Spectrum of synchronous picosecond sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1992. - V.69, N 8. - P. 1182-1184.

134. Flinn H.J., Church C.C. Transient pulsations of small gas bubbles in water // J. Acoust. Soc. Am. 1988. - Vol. 84, N 3. - P. 985-998.

135. Hiller R.A., Putterman S.J., Weninger K.R. Time-resolved spectra of sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1998. - Vol. 80, N 5. - P. 1090-1093.

136. Dieke G.H., Crosswhite H.M. The ultraviolet bands of OH. Fundamental data // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1962. - Vol. 2. - P. 97-199.

137. McNamara III W.B., Didenko Y.T., Suslick K.S. Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation // Nature (London). 1999. -Vol. 401. - P. 772-775.

138. Yasui K. Single-bubble and multibubble sonoluminescence // Phys. Rev Lett. 1999. - Vol. 83, N 11. - P. 4297-4300.

139. Didenko Y.T., Suslick K.S. The energy efficiency of formation of photons, radicals and ions during single-bubble cavitation // Nature. 2002. - Vol. 418. -P. 394 - 397.

www.dissercat.com

Сонолюминесценция - это... Что такое Сонолюминесценция?

Сонолюминесце́нция — явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней стоячую сферическую ультразвуковую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий точечный источник голубоватого света — звук превращается в свет.

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в 1930-е годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

Слева направо: появление пузырька, медленное расширение, быстрое и внезапное схлопывание, испускание света.

В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:

  • Стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.
  • В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся отрицательным), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.
  • В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.
  • В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

  • Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы[когда?] с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.
  • Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно усиливает эффект.
  • Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.
  • Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных спектральных линий. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвин!

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

Однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценция

В 1990-х годах было открыто явление многопузырьковой сонолюминесценции. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть однопузырьковой сонолюминесценцией.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре[1]. Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000—5000 кельвин[2].

Резкое отличие спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции привело к появлению точки зрения, что речь идёт о совершенно разных явлениях. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции[3]. После этих работ стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить фотон[4].

Теоретическая модель

Итак, если природа света тепловая, то необходимо объяснить, за счёт чего достигаются столь высокие температуры.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом.

  • При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядки, то есть до нескольких тысяч кельвинов.
  • Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь сильно зависит от того, какой газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.
  • Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти не меняется, в то время как давление насыщенных паров воды резко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.
  • Ясно, что начальный пузырёк имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удаётся всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывается на конечной температуре.
  • В случае однопузырьковой сонолюминесценции на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1—1,5 км/с, что в 3—4 раза превышает скорость звука в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся ударная волна, которая потом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффективно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M² раз, где М — число Маха. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

Модель Швингера

Необычное объяснение эффекта сонолюминесценции, принадлежащее Швингеру[5], основано на рассмотрении изменений вакуумного состояния электромагнитного поля в пузырьке в процессе быстрого изменения формы последнего, с точки зрения, близкой к тому, что применяется обычно при описании эффекта Казимира, когда рассматривается вакуумное состояние электромагнитного поля в плоском конденсаторе, зависящее от граничных условий, определяемых пластинами. (См. также Эффект Унру). Более подробно этот подход был развит в работе Клаудии Эберлейн (Claudia Eberlein)[6][7].

Если это верно, то сонолюминесценция — первый пример, в котором прямо экспериментально наблюдается излучение, связанное с изменением вакуумного состояния.

Высказывались аргументы в пользу того, что сонолюминесценция связана с преобразованием слишком большой энергии в слишком малое время, чтобы согласоваться с упомянутым объяснением[8]. Однако другие заслуживающие доверия источники приводят доводы за то, что объяснение через вакуумную энергию может всё же оказаться верным[9].

Применения сонолюминесценции

Кроме чисто научного интереса, связанного с пониманием поведения жидкости при подобных условиях, исследования по сонолюминесценции могут иметь и прикладные применения. Перечислим некоторые из них.

  • Сверхминиатюрная химическая лаборатория. Растворённые в воде реагенты будут присутствовать в плазме во время сонолюминесцентной вспышки. Варьируя параметры эксперимента, можно контролировать концентрацию реагентов, а также температуру и давление в этой сферической «микропробирке». Среди недостатков такой методики можно назвать
    • довольно ограниченное окно прозрачности воды, что затрудняет наблюдение реакции
    • невозможность избавиться от присутствия молекул воды и их элементов, в частности от гидроксил-ионов.
  • Достоинствами методики являются
    • лёгкость, с которой удаётся создавать высокие температуры реакционной смеси.
    • возможность проводить сверхкороткие по времени эксперименты, на масштабах пикосекунд.
  • Возможность запуска термоядерной реакции. Некоторые экспериментальные группы утверждают, что смогли достичь в сонолюминесцентной вспышке температур порядка миллионов кельвинов, наблюдая при этом продукты термоядерной реакции. Подтверждение результатов этих экспериментов позволило бы получить компактный термоядерный реактор. Ситуация, однако, остаётся спорной и требует дальнейшего исследования.

Литература

  • B.P.Barber et al, Phys.Rep. 281, 65 (1997)
  • M.P. Brenner, S. Hilgenfeldt and D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002)
  • Маргулис М. А., УФН, 2000, вып.3, c.263-287
  • K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Applied Spectroscopy Review, 39 (3), 399—436 (2004).

См. также

Примечания

  1. ↑ T. J. Matula, R. A. Roy, P. D. Mourad, W. B. McNamara, K. S. Suslick Comparison of Multibubble and Single-Bubble Sonoluminescence Spectra (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 25 сентября 1995. — Vol. 75. — № 13. — P. 2602—2605. — ISSN 0031-9007.
  2. ↑ W. B. McNamara, Y. T. Didenko, K. S. Suslick Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation (англ.) // Nature. — 21 октября 1999. — № 401. — P. 772—775. — ISSN 0028-0836.
  3. ↑ O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, G. A. Williams Spectrum of Luminescence from Laser-Created Bubbles in Water (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 21 мая 2001. — Vol. 86. — № 21. — P. 4934—4937. — ISSN 0031-9007.
  4. ↑ K. Yasui Single-Bubble and Multibubble Sonoluminescence (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 22 ноября 1999. — Vol. 83. — № 21. — P. 4297—4300. — ISSN 0031-9007.
  5. ↑ Julian Schwinger Cold fusion theory: A brief history of mine (англ.) // Infinite Energy. — Март-апрель 1995. — Vol. 1. — № 1. — P. 10—14. — ISSN 1081-6372.
  6. ↑ Claudia Eberlein Sonoluminescence as Quantum Vacuum Radiation (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 3 мая 1996. — Vol. 76. — № 20. — P. 3842—3845. — ISSN 0031-9007.
  7. ↑ Claudia Eberlein Theory of quantum radiation observed as sonoluminescence (англ.) // Phys. Rev. A. — Апрель 1996. — Vol. 53. — № 4. — P. 2772—2787. — ISSN 1050-2947. (см. также на arXiv.org)
  8. ↑ Kimball A. Milton Dimensional and Dynamical Aspects of the Casimir Effect: Understanding the Reality and Significance of Vacuum Energy (англ.) : препринт. — arXiv.org, 21 сентября 2000.
  9. ↑ S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser Comment on «Dimensional and dynamical aspects of the Casimir effect: understanding the reality and significance of vacuum energy» (англ.). — arXiv.org, 17 октября 2000.

Ссылки

dal.academic.ru

Сонолюминесценция - что это и "с чем его едят"?

Загадочное это явление - сонолюминисценция...

Сонолюминесценция

Sonoluminescence from BBC Horizon's An Experiment to Save the World

Из жизни кавитационных пузырьков

Кавитация на гребен винт

Чудеса науки альтернативная Н2 энергетика

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в 1930-е годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

Слева направо: появление пузырька, медленное расширение, быстрое и внезапное схлопывание, испускание света.

В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:

Стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде очень низкое давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.

В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся очень низким), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим.

В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.

В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.

В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы[когда?] с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.

Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно усиливает эффект.

Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.

Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных спектральных линий. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвин.

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

Однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценция

В 1990-х годах было открыто явление многопузырьковой сонолюминесценции. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть однопузырьковой сонолюминесценцией.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре. Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000—5000 кельвин.

Резкое отличие спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции привело к появлению точки зрения, что речь идёт о совершенно разных явлениях. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции[3]. После этих работ стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить фотон

Теоретическая модель

Итак, если природа света тепловая, то необходимо объяснить, за счёт чего достигаются столь высокие температуры.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом.

При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядки, то есть до нескольких тысяч кельвинов.

Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь сильно зависит от того, какой газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.

Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти не меняется, в то время как давление насыщенных паров воды резко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.

Ясно, что начальный пузырёк имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удаётся всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывается на конечной температуре.

В случае однопузырьковой сонолюминесценции на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1—1,5 км/с, что в 3—4 раза превышает скорость звука в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся ударная волна, которая потом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффективно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M² раз, где М — число Маха. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

Модель Швингера

Необычное объяснение эффекта сонолюминесценции, принадлежащее Швингеру, основано на рассмотрении изменений вакуумного состояния электромагнитного поля в пузырьке в процессе быстрого изменения формы последнего, с точки зрения, близкой к тому, что применяется обычно при описании эффекта Казимира, когда рассматривается вакуумное состояние электромагнитного поля в плоском конденсаторе, зависящее от граничных условий, определяемых пластинами. (См. также Эффект Унру). Более подробно этот подход был развит в работе Клаудии Эберлейн (Claudia Eberlein).

Если это верно, то сонолюминесценция — первый пример, в котором прямо экспериментально наблюдается излучение, связанное с изменением вакуумного состояния.

Высказывались аргументы в пользу того, что сонолюминесценция связана с преобразованием слишком большой энергии в слишком малое время, чтобы согласоваться с упомянутым объяснением. Однако другие заслуживающие доверия источники приводят доводы за то, что объяснение через вакуумную энергию может всё же оказаться верным.

Википедия

А Вы все еще продолжаете верить, что энергии не хватит на всех?

terratunguska.livejournal.com

что это и "с чем его едят"?: kactaheda

Загадочное это явление - сонолюминисценция...

Сонолюминесценция

Sonoluminescence from BBC Horizon's An Experiment to Save the World

Из жизни кавитационных пузырьков

Кавитация на гребен винт

Чудеса науки альтернативная Н2 энергетика

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в 1930-е годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

Слева направо: появление пузырька, медленное расширение, быстрое и внезапное схлопывание, испускание света.

В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:

Стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде очень низкое давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.

В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся очень низким), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим.

В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.

В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.

В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы[когда?] с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.

Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно усиливает эффект.

Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.

Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных спектральных линий. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвин.

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

Однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценция

В 1990-х годах было открыто явление многопузырьковой сонолюминесценции. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть однопузырьковой сонолюминесценцией.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре. Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000—5000 кельвин.

Резкое отличие спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции привело к появлению точки зрения, что речь идёт о совершенно разных явлениях. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции[3]. После этих работ стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить фотон

Теоретическая модель

Итак, если природа света тепловая, то необходимо объяснить, за счёт чего достигаются столь высокие температуры.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом.

При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядки, то есть до нескольких тысяч кельвинов.

Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь сильно зависит от того, какой газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.

Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти не меняется, в то время как давление насыщенных паров воды резко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.

Ясно, что начальный пузырёк имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удаётся всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывается на конечной температуре.

В случае однопузырьковой сонолюминесценции на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1—1,5 км/с, что в 3—4 раза превышает скорость звука в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся ударная волна, которая потом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффективно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M² раз, где М — число Маха. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

Модель Швингера

Необычное объяснение эффекта сонолюминесценции, принадлежащее Швингеру, основано на рассмотрении изменений вакуумного состояния электромагнитного поля в пузырьке в процессе быстрого изменения формы последнего, с точки зрения, близкой к тому, что применяется обычно при описании эффекта Казимира, когда рассматривается вакуумное состояние электромагнитного поля в плоском конденсаторе, зависящее от граничных условий, определяемых пластинами. (См. также Эффект Унру). Более подробно этот подход был развит в работе Клаудии Эберлейн (Claudia Eberlein).

Если это верно, то сонолюминесценция — первый пример, в котором прямо экспериментально наблюдается излучение, связанное с изменением вакуумного состояния.

Высказывались аргументы в пользу того, что сонолюминесценция связана с преобразованием слишком большой энергии в слишком малое время, чтобы согласоваться с упомянутым объяснением. Однако другие заслуживающие доверия источники приводят доводы за то, что объяснение через вакуумную энергию может всё же оказаться верным.

Википедия

А Вы все еще продолжаете верить, что энергии не хватит на всех?

Яндекс.Метрика

kactaheda.livejournal.com

Сонолюминесценция

Сонолюминесце́нция — явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней стоячую сферическую ультразвуковую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий, точечный источник голубоватого света. Звук превращается в свет!

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в 1930-е годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, т. е. всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (т.е. накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:

  • Стоячая ультразвуковая волна в фазе разряжения создаёт в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.
  • В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (т.е. пока давление остаётся отрицательным), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волны сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.
  • В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.
  • В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

  • Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.
  • Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно усиливает эффект.
  • Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.
  • Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных линий излучения. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвинов!

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут не при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

Однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценция

В 1990-х годах было открыто явление многопузырьковой сонолюминесценции. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть однопузырьковой сонолюминесценцией.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре (T.J.Matula et al, Phys.Rev.Lett. 75, 2602 (1995)). Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000-5000 кельвин (W.B.McNamara III et al, Nature 401, 772 (1999).).

Такая непохожесть спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции стала наводить даже на мысль, что это совершенно разные явления. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции (см. например O.Baghdassarian et al, Phys.Rev.Lett. 86, 4934 (2001)). После этих работа стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить фотон (K.Yasui, Phys.Rev.Lett. 83, 4297 (1999)).

Теоретическая модель

Итак, если природа света тепловая, то необходимо объяснить, за счёт чего достигаются столь высокие температуры.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом.

  • При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядок, т. е. до нескольких тысяч кельвинов.
  • Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь, сильно зависит от того, сколько атомный газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.
  • Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти на меняется, в то время как давление насыщенных паров воды редко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.
  • Ясно, что начальный пузырек имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удается всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывает на конечной температуре.
  • В случае однопузырьковой сонолюминесценции, на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1-1,5 км/сек, что в 3-4 раза превышает скорость звука в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся ударная волна, которая оптом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффектно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M2 раз, где М — число Маха. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

Применения сонолюминесценции

Кроме чисто научного интереса, связанного с пониманием поведения жидкости при подобных условиях, исследования по сонолюминесценции могут иметь и прикладные применения. Перечислим некоторые из них.

  • Сверхминиатюрная химическая лаборатория. Растворённые в воде реагенты будут присутствовать в плазме во время сонолюминесцентной вспышки. Варьируя параметры эксперимента, можно контролировать концентрацию реагентов, а также температуру и давление в этой сферической «микропробирке». Среди недостатков такой методики можно назвать
    • довольно ограниченное окно прозрачности воды, что затрудняет наблюдение реакции
    • невозможность избавиться от присутствия молекул воды и их элементов, в частности от гидроксил-ионов.

Достоинствами методики являются

    • лёгкостью, с которой удаётся создавать высокие температуры реакционной смеси.
    • возможность проводить сверхкороткие по времени эксперименты, на масштабах пикосекунд.
  • Возможность запуска термоядерной реакции. Некоторые экспериментальные группы утверждают, что смогли достичь в сонолюминесцентной вспышке температур порядка миллионов кельвинов, наблюдая при этом продукты термоядерной реакции. Если результаты этих экспериментов подтвердятся, то мы получим настольный термоядерный реактор. Ситуация, однако, остаётся спорной и требует дальнейшего исследования. Подробности см. в статье Ультразвуковой термояд.

Библиография

  • B.P.Barber et al, Phys.Rep. 281, 65 (1997)
  • M.P. Brenner, S. Hilgenfeldt and D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002)
  • Маргулис М.А., УФН, 2000, вып.3, c.263-287 (файл pdf, 532 кБ)
  • K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Applied Spectroscopy Review, 39 (3), 399-436 (2004).

Термин "сонолюминесценция" неточен. Аналогичные явления происходят и при отсутствии звука - при гидронинамической и лазерной кавитации, и даже просто при ударе молотком. См. http://esmorodov.narod.ru

Ссылки

Сонолюминесценция: загадки, идеи, объяснения

mediaknowledge.ru

Сонолюминесценция — WiKi

Сонолюминесце́нция — явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней стоячую сферическую ультразвуковую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий точечный источник голубоватого света — звук превращается в свет.

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в 1930-е годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

  Слева направо: появление пузырька, медленное расширение, быстрое и внезапное схлопывание, испускание света.

В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:

  • Стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде очень низкое давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.
  • В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся очень низким), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.
  • В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.
  • В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

  • Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы[когда?] с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.
  • Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно усиливает эффект.
  • Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.
  • Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных спектральных линий. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвин.

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

Однопузырьковая и многопузырьковая сонолюминесценция

В 1990-х годах было открыто явление многопузырьковой сонолюминесценции. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть однопузырьковой сонолюминесценцией.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре[1]. Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000—5000 кельвин[2].

Резкое отличие спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции привело к появлению точки зрения, что речь идёт о совершенно разных явлениях. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции[3]. После этих работ стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить фотон[4].

Теоретическая модель

Итак, если природа света тепловая, то необходимо объяснить, за счёт чего достигаются столь высокие температуры.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом.

  • При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядки, то есть до нескольких тысяч кельвинов.
  • Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь сильно зависит от того, какой газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.
  • Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти не меняется, в то время как давление насыщенных паров воды резко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.
  • Ясно, что начальный пузырёк имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удаётся всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывается на конечной температуре.
  • В случае однопузырьковой сонолюминесценции на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1—1,5 км/с, что в 3—4 раза превышает скорость звука в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся ударная волна, которая потом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффективно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M² раз, где М — число Маха. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

Модель Швингера

Необычное объяснение эффекта сонолюминесценции, принадлежащее Швингеру[5], основано на рассмотрении изменений вакуумного состояния электромагнитного поля в пузырьке в процессе быстрого изменения формы последнего, с точки зрения, близкой к тому, что применяется обычно при описании эффекта Казимира, когда рассматривается вакуумное состояние электромагнитного поля в плоском конденсаторе, зависящее от граничных условий, определяемых пластинами. (См. также Эффект Унру). Более подробно этот подход был развит в работе Клаудии Эберлейн (Claudia Eberlein)[6][7].

Если это верно, то сонолюминесценция — первый пример, в котором прямо экспериментально наблюдается излучение, связанное с изменением вакуумного состояния.

Высказывались аргументы в пользу того, что сонолюминесценция связана с преобразованием слишком большой энергии в слишком малое время, чтобы согласоваться с упомянутым объяснением[8]. Однако другие заслуживающие доверия источники приводят доводы за то, что объяснение через вакуумную энергию может всё же оказаться верным[9].

Применения сонолюминесценции

Кроме чисто научного интереса, связанного с пониманием поведения жидкости при подобных условиях, исследования по сонолюминесценции могут иметь и прикладные применения. Перечислим некоторые из них.

  • Сверхминиатюрная химическая лаборатория. Растворённые в воде реагенты будут присутствовать в плазме во время сонолюминесцентной вспышки. Варьируя параметры эксперимента, можно контролировать концентрацию реагентов, а также температуру и давление в этой сферической «микропробирке». Среди недостатков такой методики можно назвать
    • довольно ограниченное окно прозрачности воды, что затрудняет наблюдение реакции
    • невозможность избавиться от присутствия молекул воды и их элементов, в частности от гидроксил-ионов.
  • Достоинствами методики являются
    • лёгкость, с которой удаётся создавать высокие температуры реакционной смеси.
    • возможность проводить сверхкороткие по времени эксперименты, на масштабах пикосекунд.

См. также

Примечания

  1. ↑ T. J. Matula, R. A. Roy, P. D. Mourad, W. B. McNamara, K. S. Suslick Comparison of Multibubble and Single-Bubble Sonoluminescence Spectra (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 25 сентября 1995. — Vol. 75, no. 13. — P. 2602—2605. — ISSN 0031-9007.
  2. ↑ W. B. McNamara, Y. T. Didenko, K. S. Suslick Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation (англ.) // Nature. — 21 октября 1999. — No. 401. — P. 772—775. — ISSN 0028-0836.
  3. ↑ O. Baghdassarian, H.-C. Chu, B. Tabbert, G. A. Williams Spectrum of Luminescence from Laser-Created Bubbles in Water (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 21 мая 2001. — Vol. 86, no. 21. — P. 4934—4937. — ISSN 0031-9007.
  4. ↑ K. Yasui Single-Bubble and Multibubble Sonoluminescence (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 22 ноября 1999. — Vol. 83, no. 21. — P. 4297—4300. — ISSN 0031-9007.
  5. ↑ Julian Schwinger Cold fusion theory: A brief history of mine (англ.) // Infinite Energy. — Март-апрель 1995. — Vol. 1, no. 1. — P. 10—14. — ISSN 1081-6372.
  6. ↑ Claudia Eberlein Sonoluminescence as Quantum Vacuum Radiation (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 3 мая 1996. — Vol. 76, no. 20. — P. 3842—3845. — ISSN 0031-9007.
  7. ↑ Claudia Eberlein Theory of quantum radiation observed as sonoluminescence (англ.) // Phys. Rev. A. — Апрель 1996. — Vol. 53, no. 4. — P. 2772—2787. — ISSN 1050-2947. (см. также на arXiv.org)
  8. ↑ Kimball A. Milton Dimensional and Dynamical Aspects of the Casimir Effect: Understanding the Reality and Significance of Vacuum Energy (англ.) : препринт. — arXiv.org, 21 сентября 2000.
  9. ↑ S. Liberati, F. Belgiorno, M. Visser Comment on «Dimensional and dynamical aspects of the Casimir effect: understanding the reality and significance of vacuum energy» (англ.). — arXiv.org, 17 октября 2000.

Литература

  • B.P.Barber et al, Phys.Rep. 281, 65 (1997)
  • M.P. Brenner, S. Hilgenfeldt and D. Lohse, Rev.Mod.Phys. 74, 425 (2002)
  • Маргулис М. А., УФН, 2000, вып.3, c.263-287
  • K. Yasui, T. Tuziuti, M. Sivakumar, Y. Iida, Applied Spectroscopy Review, 39 (3), 399—436 (2004).

Ссылки

ru-wiki.org


Смотрите также