Sonoluminiscencia

La sonoluminiscencia es el fenómeno por el cual los fotones son emitidos por burbujas de gas cuyo diámetro varía mediante ultrasonidos .

Histórico

El efecto fue descubierto en la Universidad de Colonia en 1934 por H. Frenzel y H. Schultes, durante un experimento de sonar . Los primeros experimentos sobre el tema se remontan a 1917 , cuando la Royal Navy británica le pidió al físico Lord Rayleigh que entendiera por qué las hélices de los barcos sufrieron daños inexplicables.

En 1989 , D. Felipe Gaitan y Lawrence Crum lograron producir una burbuja sonoluminiscente única.

En 2005 , el experimento de D. Flannigan, que involucró una burbuja de argón sumergida en ácido sulfúrico, permitió medir la temperatura alcanzada en el corazón de la burbuja.

Explicaciones

La explicación teórica de este fenómeno sigue siendo un tema de estudio en la actualidad. Los cálculos realizados desde el descubrimiento del fenómeno parecen indicar que a pesar de las condiciones de temperatura y presión bastante inusuales en el corazón de la burbuja durante su colapso (la pequeña onda de choque calienta fuertemente el gas contenido en la burbuja), la producción de luz no debería intervenir.

On ne sait pas dire aujourd'hui si cet écart entre théorie et observation tient aux imprécisions des modèles connus quand on les porte à des conditions extrêmes comme celles de la sonoluminescence ou si un phénomène qui n'a pas été envisagé jusque-là est à la obra.

En 2002 , el físico estadounidense Rusi Taleyarkhan  (en) previó una reacción de fusión nuclear (ver fusión fría ), desencadenada por la onda de choque, pero estos resultados no pudieron reproducirse, siguen siendo muy criticados por la comunidad científica.

El experimento de D. Flannigan permitió demostrar que la temperatura en el corazón de la burbuja alcanza los 20.000 Kelvins , que es el equivalente a la temperatura en la superficie de una estrella . La burbuja de argón es, además, tres mil veces más luminiscente que una burbuja producida en agua. También se encontró oxígeno ionizado en la superficie de la burbuja. La hipótesis de la presencia de un plasma en el corazón de la burbuja explicaría esta ionización.

Según los experimentos de los investigadores estadounidenses Rusi Taleyarkhan y Richard Lahey, parece que la temperatura en el centro de las burbujas puede alcanzar los 10 millones de grados. Habrían registrado la emisión de neutrones a 2,5 MeV y detectado la presencia de tritio después de la reacción.

Propiedades

La sonoluminiscencia puede ocurrir o no cuando una onda de sonido de suficiente intensidad hace que una cavidad de gas en un líquido se contraiga rápidamente. Esta cavidad puede tomar la forma de una burbuja; se puede generar durante un proceso llamado cavitación . La sonoluminiscencia en el laboratorio puede estabilizarse: una sola burbuja se expande y luego se contrae continuamente de forma periódica, emitiendo un destello de luz con cada contracción. Para ello, se emite una onda de sonido en un líquido, y la presión de la burbuja dependerá de esta onda. La frecuencia de resonancia depende del tamaño y la forma del vaso en el que está contenido el globo.

Alguna información sobre sonoluminiscencia:

• Los destellos de luz emitidos por las burbujas son extremadamente cortos, entre 35 y algunos cientos de picosegundos , con intensidades máximas del orden de 1 mW a 10 mW.
• Hiller (1992) ha demostrado que el espectro de luz emitido por Single Bubble SonoLuminescence ("SBSL", un experimento descrito en 1989 por DF Gaitan) es continuo, lo que lleva a la pista de que se crea un plasma.
• Las burbujas son muy pequeñas cuando emiten luz, alrededor de un micrómetro de diámetro. Esto depende del fluido circundante (por ejemplo, agua ) y del gas contenido en la burbuja (por ejemplo, aire ).
• La sonoluminiscencia de una sola burbuja puede tener períodos y diámetros muy estables. Sin embargo, el análisis de la estabilidad de una burbuja muestra que la propia burbuja está sujeta a importantes inestabilidades geométricas, debido a las fuerzas de Bjerknes y las inestabilidades de Rayleigh-Plesset  (en) .
• Al agregar una pequeña cantidad de un gas noble (como helio , argón o xenón ) al gas en la burbuja, se puede aumentar la intensidad de la luz emitida.

La longitud de onda de la luz emitida puede ser muy corta, por ejemplo, el espectro de SBSL (Single Bubble SonoLuminescence) alcanza el ultravioleta . Las leyes de la física muestran que cuanto menor es la longitud de onda de la luz, mayor es su energía. La medición del espectro de luz sugiere una temperatura en la burbuja de al menos 20.000 Kelvin y hasta una temperatura superior a un megakelvin. La veracidad de estas estimaciones se pone en duda por el hecho de que el agua, por ejemplo, absorbe casi todas las ondas por debajo de 200 nm. Esto ha llevado a varias estimaciones de la temperatura de la burbuja, ya que puede extrapolarse del espectro de emisión obtenido durante la contracción o estimarse utilizando la ecuación de Rayleigh-Plesset (ver más abajo). Algunas estimaciones sitúan el interior de la burbuja en un gigakelvin. Estas estimaciones se basan en modelos que no se pueden verificar en la actualidad.

Mecánico

El movimiento de la burbuja se describe, como una primera aproximación, mediante la ecuación de Rayleigh-Plesset:

RR¨+32R˙2=1ρ(paggramo-PAG0-PAG(t)-4ηR˙R-2γR).{\ Displaystyle R {\ ddot {R}} + {\ frac {3} {2}} {\ dot {R}} ^ {2} = {\ frac {1} {\ rho}} \ left (p_ { g} -P_ {0} -P (t) -4 \ eta {\ frac {\ dot {R}} {R}} - {\ frac {2 \ gamma} {R}} \ right).}

Esta aproximación se deriva de las ecuaciones de Navier-Stokes y describe el comportamiento de una burbuja de un radio en función del tiempo . El factor es la viscosidad , la presión y la tensión superficial . R{\ Displaystyle R}t{\ Displaystyle t}η{\ Displaystyle \ eta}pag{\ Displaystyle p}γ{\ Displaystyle \ gamma}

Orgánico

El camarón pistola puede producir un tipo de sonoluminiscencia por el colapso de una burbuja causado por el rápido clic de una garra especializada. El animal puede entonces crear una burbuja de cavitación acústica que genera presiones de hasta 80 kPa a una distancia de 4 cm y una temperatura central de 5000 K. La velocidad de movimiento de la burbuja puede alcanzar casi los 100 km. / Hy libera el sonido. a 218 decibeles. Esta presión es lo suficientemente fuerte como para matar peces pequeños. La luz producida es de menor intensidad que la luz producida por la sonoluminiscencia típica y no es visible a simple vista. Este efecto biológico descubierto en 2001 se ha denominado "poluminiscencia del camarón".

Cultura

• En la película Pursuit , un científico logra usar la sonoluminiscencia para desencadenar una fusión nuclear controlada.

Notas y referencias

1. Laurent Sacco, “¿  Un récord de luminosidad para la sonoluminiscencia?  » , En futura-sciences.com ,23 de abril de 2011.
2. Ciencias 8 Marzo 2002: vol. 295 no. 5561 p.1850 DOI: 10.1126 / science.1070165 http://science.sciencemag.org/content/295/5561/1868.abstract
3. Entrevista a Ken Suslick en el sitio de información de la UIUC .
4. (en) David J. Flannigan y Kenneth S. Suslick, "  Enfriamiento del plasma por aire durante la sonoluminiscencia de una sola burbuja  " , The Journal of Physical Chemistry. A, Moléculas, espectroscopia, cinética, medio ambiente y teoría general , vol.  110, n o  30,agosto de 2006, p.  9315-9318

enlaces externos

• Documento TP ENS Cachan sobre el estudio del fenómeno sonoluminiscencia
• Artículos en inglés sobre historia y teoría de la sonoluminiscencia.
• Artículo (pago) en inglés, de la revista Nature, sobre la experiencia de Flannigan .
• Documental de BBC Horizon en inglés " Un experimento para salvar el mundo " que describe la experiencia de Rusi Taleyarkhan y las protestas que siguieron: https://www.youtube.com/watch?v = R-4SeO-a1Rc

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