Sonoluminescencja - jak zobaczyć dźwięk?
Gdybym miał wytłumaczyć dziecku czym jest dźwięk, powiedziałbym, że to takie coś co sprawia, że jak mama ma dla niego nową zabawkę, to ono wie, że ma po nią przyjść. O ile takie wytłumaczenie może zadowolić 3 latka, tak Ciebie drogi czytelniku, podejrzewam, że niespecjalnie.
Czy w sensie fizycznym jest dźwięk? Dźwięk to inaczej fala akustyczna, a konkretniej - zaburzenie gęstości i ciśnienia w danym ośrodku. Dźwięk jest falą, ale inną niż np. światło. Jest falą mechaniczną, a nie elektromagnetyczną. W przeciwieństwie do niej, do swojego istnienia potrzebuje ośrodka - powietrza, wody, metalu, czegokolwiek. Z tego powodu prawdziwe jest popularne zdanie z filmów sci-fi "W kosmosie nikt nie usłyszy twojego krzyku"
W jaki sposób więc rozprzestrzenia się dźwięk? Cóź, wygląda to trochę jak domino. Jedna cząsteczka popycha drugą ta kolejną, i tak dalej. O ile jednak w przypadku domina można przewracać klocki większe niż inicjujący, tak jeśli krzykniemy do kogoś w Warszawie, raczej nie usłyszy nas w Krakowie. Wszystkiemu winne jest tłumienie - drgania są coraz słabsze aż z pierwotnego zaburzenia nie zostaje praktycznie nic.
Dla dźwięku jako fali ważna jest też częstotliwość. Ludzi najbardziej będzie interesował zakres od 16 Hz do 20 kHz. Istnieją jednak inne zakresy. Infradźwięki to fale o długości nawet kilkunastu metrów. Nie są słyszalne dla człowieka, ale wpływają na nasz organizm. Badania wykazały, że w przypadku zwierząt - zbyt wysokie natężenie może powodować utratę słuchu. Infradźwięki są problematyczne z tego względu, że mogą bez przeszkód rozchodzić się na duże odległości. Słabo chronią przed nimi też ekrany akustyczne.
Dźwięki powyżej 20 kHz to ultradźwięki. Mają one szerokie zastosowanie w medycynie (np. badanie USG) ale za ich pomocą można też podgrzewać jedzenie i czyścić powierzchnie. Człowiek ich nie słyszy, ale niektóre zwierzęta już tak. Walenie komunikują się za pomocą nich na duże odległości, a podpatrzenie tej zdolności pozwoliło na zbudowanie sonaru.
Ponad ultradźwiękami znajdują się jeszcze hiperdźwięki. Są to drgania o ogromnej częstotliwości, często zbliżonej do światła widzialnego. Możliwe są do wytworzenia jedynie w kryształach. Spowodowane jest to warunkiem, że długość fali musi większa niż odległość między cząsteczkami. Warunek ten w przypadku hiperdźwięków jest zachowany jedynie przy gęstym upakowaniu kryształu.
I tak po tym przydługim, ale koniecznym wstępie przechodzimy do zjawiska które nosi nazwę Sonoluminescencji. Dokładne mechanizmy nie zostały jeszcze poznane, jednak samo zjawisko jest dosyć proste do zaobserwowania. Polega ono na implozji, czyli zapadnięciu się bąbelka powietrza pod wpływem dźwięku i emisji światła.
Bąbelek musi być wcześniej obecny w cieczy, ewentualnie może być wytworzony np. za pomocą kawitacji. Zjawisko to polega na nagłym przejściu z fazy ciekłej do gazowej. Dzieje się tak za sprawą obniżenia ciśnienia. Można je zaobserwować np. przy śrubie okrętowej, która tak zwiększa prędkość wody wokół siebie, że zgodnie z Równaniem Bernoulliego musi jednocześnie spaść ciśnienie tej wody, co prowadzi właśnie do zjawiska kawitacji. Jest to bardzo niepożądane zjawisko ponieważ zapadające się bąbelki powodują uszkodzenia elementów napędowych.
Gdy już będziemy mieli bąbelek uzyskany w taki lub inny sposób, możemy się zacząć nim bawić. Poddajemy go działaniu fali akustycznej i obserwujemy. Najpierw będzie się od rozszerzał, osiągnie maksymalną objętość i bardzo szybko imploduje wraz z emisją światła. Proces ten w warunkach laboratoryjnych może być powtarzany wiele razy. Po każdej implozji bąbelek będzie znów się rozszerzał, zapadał i emitował światło.
Sonoluminescencja nazywana jest też "Gwiazdą w słoiku" ponieważ temperatura bąbelka zmierzona spektroskopem wynosi od 2300 do 5100K. Mówimy tutaj jednak o powierzchni, w środku gdzie powstaje światło, może mieć ona nawet około 20 tysięcy Kelwinów, chociaż niektóre hipotezy mówią nawet o milionach stopni.
Sonoluminescencja jest bardzo słabo poznana. Do dziś nie wiadomo tak naprawdę dlaczego implozja powoduje wytworzenie światła. Istnieje wiele hipotez. Plazma, Tunelowanie, Wyładowania koronowe itp. Tak czy inaczej wiemy jaki jest efekt - słabe, krótkie światło. Możliwe, jednak, że pomoże nam ona w zaprojektowaniu wydajnych procesów fuzji atomowych. Z pewnością stanowi też most pomiędzy falami mechanicznymi (dźwiękiem), a elektromagnetycznymi (światło)
Źródła:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Fale_akustyczne
http://ginainlangendorf.eu/sonoluminescencja-star-in-a-jar/
https://pl.wikipedia.org/wiki/Sonoluminescencja
http://www.ujk.edu.pl/ifiz/pl/files/mrowczynski/dyskoteka.html
https://pl.wikipedia.org/wiki/Walenie
https://en.wikipedia.org/wiki/Sonoluminescence
https://pl.wikipedia.org/wiki/Kawitacja
Comments