Ogled vira Sonoluminiscenca

[[Slika:MBSLred.JPG|right|thumb|350px|Sonoluminiscenca v posodi, napolnjeni z vodo. Vsaka svetla pika v posodi predstavlja mehurček, ki oddaja svetlobo.]]
'''Sónoluminiscénca''' je pojav sevanja [[svetloba|svetlobe]] pri močnem skrčenju mehurčkov ([[implozija|imploziji]]) v [[tekočina|tekočini]] zaradi vzbujanja z [[zvok]]om.

Mehanizem sonoluminiscence sicer ni popolnoma jasen, kljub temu pa se trenutno najverjetnejša teorija osredotoča na [[adiabatna sprememba|adiabatsko]] stisnjenje plinov v mehurčku, s tem pa nastanek visokih [[temperatura|temperatur]] in [[tlak]]ov ter [[ionizacija]] atomov.

Pojav sta leta 1934 odkrila [[Nemci|nemška]] znanstvenika H. Frenzel in H. Schultes, ko sta v posodo z razvijalom za [[fotografija|fotografije]] vstavila [[ultrazvok|ultrazvočni]] pretvornik, s prvotnim namenom za pospeševanje procesa razvijanja fotografij.<ref>{{cite journal|author1 = Frenzel, H. |author2=Schultes, H. |year = 1934|title = Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser|journal = Z. Phys. Chem.|volume = B27|pages = 421}}</ref>

== Mehanizem sevanja ==
[[Slika:Sonoluminescence.png|center|600px|thumb|Osnovni mehanizem nastanka sonoluminiscence (od leve proti desni): nastanek mehurčka, počasno širjenje, hitro krčenje, oddajanje svetlobe.]]

Pojav trenutno ni znan v popolnosti, kljub temu pa ima osrednjo vlogo v pojavu mehurček, napolnjen s [[plin]]om, ki se zaradi [[zvok|zvočnih]] [[valovanje|valov]] širi in nato krči (torej pride do implozije mehurčka), pri čemer odda svetlobo določene [[valovna dolžina|valovne dolžine]]. Celoten proces traja v povprečju 30 [[mikrosekunda|μs]], oddajanje svetlobe pa okoli 100 [[pikosekunda|ps]].<ref>http://uw.physics.wisc.edu/~timbie/P325/Robbins_sonoluminescence.pdf {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100611010655/http://uw.physics.wisc.edu/~timbie/P325/Robbins_sonoluminescence.pdf |date=2010-06-11 }} Pridobljeno 17.09.2009.</ref><ref name=putterman>{{cite journal| last = Putterman| first = S.J.| date = 1995| title = Sonoluminescence: Sound into light| journal = Scientific American| volume = 272| issue = 2| pages = 46–51| issn = 0036-8733| url = http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono.pdf| format = PDF}}</ref>

Glede na analize [[spekter elektromagnetnega valovanja|spektra]] oddane svetlobe se lahko sklepa o dogajanju v notranjosti mehurčka. Največja [[Gostota energijskega toka|gostota]] [[energijski tok|energijskega toka]] je blizu 230 [[nanometer|nm]], vendar z upoštevanjem dejstva, da [[voda]] absorbira [[foton]]e z večjo [[energija|energijo]], obstaja možnost, da je največja gostota pri manjši valovni dolžini. Glede na spekter je pri [[sobne razmere|sobni temperaturi]] vode [[temperatura]] v središču mehurčka okoli 16.000 [[kelvin|K]], kar je skoraj trikratna vrednost temperature površja na [[Sonce|Soncu]], nekateri viri pa omenjajo temperature od 2.600 K to 5.100 K.<ref name="noble gas">Didenko Y.T., William B. McNamara III in Suslick K.S. (2000). [http://www.scs.uiuc.edu/suslick/pdf/prl00777.pdf "Effect of Noble Gases on Sonoluminescence Temperatures during Multibubble Cavitation"] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090326235613/http://www.scs.uiuc.edu/suslick/pdf/prl00777.pdf |date=2009-03-26 }}. ''Physical Letters Review '''84''''' (4), str. 777-780.</ref> Z znižanjem temperature vode se zmanjša prisotnost vodnih hlapov v mehurčku, kar omogoča nastanek fotonov z večjo energijo, posledično pa naraste temperatura v središču tudi do 30.000 K.<ref name=gutenkunst>Gutenkunst, Extracting light from water: Sonoluminescence, 2003.</ref>

Intenziteta sonoluminiscence je med drugim kritično odvisna od [[pritisk]]a (tlaka) na mehurček.<ref>Brenner s sod.; Single bubble sonoluminescence, 2002, str. 432.</ref> Z drugimi besedami, intenziteta oddane svetlobe narašča premo sorazmerno z naraščanjem pritiska na mehurček, saj večji pritisk nosi večjo energijo, ki se v mehurčku pretvori v svetlobo. Tako pri tlaku 1,1 [[atmosfera (enota)|atm]] svetloba že začne nastajati, vendar se pri tlaku 1,5 atm mehurček uniči. Absolutni najmanjši [[polmer]] mehurčka je težko izmeriti, saj mehurčki ne ostanejo v danem stanju dovolj časa za merjenje. Poleg tlaka je pomemben parameter tudi količina in vrsta raztopljenih plinov v tekočini.<ref name=gutenkunst/> Dokazano je bilo, da je prisotnost [[žlahtni plin|žlahtnih plinov]] ([[helij]], [[argon]] in [[ksenon]]) pomembna za nastanek sonoluminiscence,<ref>Brenner s sod.; Single bubble sonoluminescence, 2002, str. 429.</ref> intenziteta svetlobe in  temperatura pa naraščata premo sorazmerno z [[Atomska teža|relativno atomsko maso]] žlahtnih plinov.<ref name="noble gas"/> Največja intenziteta svetlobe je opažena pri [[koncentracija]]h okoli 1 %, pri večjih pa je intenziteta manjša; vzrok za to je še vedno neznan. Pomembno je poudariti, da so vsi [[eksperiment]]i s sonoluminiscenco bili narejeni v vodi in njej podobnih tekočinah, v drugih tekočinah pa so bili poskusi zelo oteženi ali neuspešni; vzrok za to je tudi tukaj še vedno neznan.<ref name=gutenkunst/>

=== Vzroki za nastanek svetlobe ===
Najpreprostejši model vključuje [[adiabatna sprememba|adiabatsko]] stisnjenje. Pri tem je torej proces tako hiter, da sistem z okolico ne izmenja [[toplota|toplote]]. V danem primeru je sistem mehurček, ki je zaradi zvočnih valov stisnjen tako hitro, da ne oddaja toplote, pač pa naraste temperatura v njegovi notranjosti. Čeprav absolutni najmanjši polmer mehurčka pri skrčitvi ni določen, je predvidevano, da se skrči na stotino vrednosti začetnega polmera pred delovanjem zvoka,<ref name=putterman/> pri čemer naraste temperatura do 10.000 K v središču mehurčka, vendar je nastala temperatura premajhna za nastanek oddane svetlobe.<ref name=gutenkunst/>

Glede na dinamiko tekočin je mehurček pri skrčenju zelo nestabilen in eden načinov razpada je izmet curka vode iz ene strani mehurčka na drugo stran. Po stiku s steno curek le-to poruši, pri čemer se sprosti energija za nastanek svetlobe. Predvidevano je, da [[molekula|molekule]] žlahtnih plinov prispevajo k destabilizaciji stene.<ref name=gutenkunst/>

Naslednji model temelji na [[elektrika|električnih]] lastnostih vodnih molekul. V območjih z velikimi spremembami tlaka na majhnih razdaljah lahko postanejo vodne molekule [[Električna polarizacija|polarizirane]] na taki način, da so pozitivni in negativni [[električni naboj|naboji]] razmaknjeni. Pri tem pride do [[ionizacija|ionizacije]] molekul na zunanji stani mehurčka, sproščeni [[elektron]]i pa reagirajo z [[atom]]i žlahtnih plinov, zaradi česar pride do sevanja svetlobe. Pri tem bi bile izmerjene visoke temperature iz analize spektra oddane svetlobe pravzaprav energija prostih elektronov in ne atomov v notranjosti mehurčka.<ref name=gutenkunst/> 

[[Julian Schwinger]], [[Nobelova nagrada za fiziko|Nobelov nagrajenec za fiziko]], je pri pojavu predlagal model kvantno mehaničnega učinka. V bistvu naj bi tudi prazen prostor vseboval energijo ({{lang-en|zero-point energy}}), stisnjenje prostora v mehurčku pa naj bi povzročilo izsevanje te energije v obliki fotonov. Eksperimenti so njegovo teorijo ovrgli.<ref name=gutenkunst/>

Trenutno najpopularnejšo ter z eksperimetni podprto razlago sonoluminiscence je podal Hilgenfeldt s sodelavci in je praktično razširitev adiabatnega modela. Nestabilna stena sproži nastanek šokovnega vala, ki pred seboj stiska pline v notranjosti mehurčka, s tem pa ustvarja visok tlak in temperaturo. Atomi žlahtnih plinov zato ionizirajo, nastane [[plazma (fizika)|plazma]], sproščeni elektroni pa izsevajo svetlobo.<ref name=gutenkunst/>

== Rayleigh-Plessetova enačba ==
Dinamiko gibanja mehurčka oz. njegovega polmera <math>R</math> lahko približno opišemo preko Rayleigh-Plessetove enačbe, ki je praktično izpeljava [[Navier-Stokesove enačbe]]:

:<math>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) ,</math>

pri čemer je:
* <math>\eta</math> - [[viskoznost]],
* <math>p</math> - [[pritisk]] (tlak),
* <math>\gamma</math> - [[površinska napetost]].

Polmer je pri tem funkcija časa <math>t</math>. Enačba dobro opisuje gibanje mehurčka zaradi zvoka, razen v zadnjih fazah kolapsa mehurčka, saj takrat hitrost gibanja stene mehurčka preseže hitrost zvoka v plinu znotraj mehurčka.<ref>Barber, B.P. & Putterman, S.J. (1992). "Light Scattering Measurements of the Repetitive Supersonic Implosion of a Sonoluminescing Bubble". ''Phys. Rev. Lett.'' '''69''': 3839-3842.</ref>.

== Možne aplikacije v energetiki ==
Predvidevano je, da temperatura v središču mehurčka naraste na več milijonov [[kelvin]]ov, kar bi bilo dovolj za [[hladna fuzija|hladno fuzijo]] v [[težka voda|težki vodi]]. Kljub temu obstajajo problemi pri izvajanju procesa, sa bi lahko bili mehurčki preveliki za potek [[kemična reakcija|kemične reakcije]], poleg tega pa bi črpanje energije iz težke vode lahko motilo druge [[fuzija|fuzijske]] procese.<ref name=gutenkunst/>

Znanstveniki na ''Politehničnem Inštitutu Rensselaer'' sicer trdijo, da so 27. januarja 2006 uspeli izvesti fuzijo pri sonoluminiscenčnih eksperimentih.<ref>[http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=1322&setappvar=page(1) RPI: News & Events - New Sonofusion Experiment Produces Results Without External Neutron Source] Pridobljeno 17.09.2009</ref><ref>[http://www.sciencedaily.com/releases/2006/01/060130155542.htm Using Sound Waves To Induce Nuclear Fusion With No External Neutron Source] Pridobljeno 17.09.2009</ref>

== Sonoluminiscenca pri organizmih ==
[[Slika:Squilla mantis.jpg|thumb|right|250px|Stranski pogled bogomolčarja; vidne so sprednje noge, s katerimi izjemno hitro udari žrtev, stranski pojav pa je sonoluminiscenca.]]
Nekateri [[deseteronožci]] [[družina (biologija)|družine]] [[Alpheidae]] pri lovu proizvajajo sonoluminiscenco s pomočjo posebej oblikovanih klešč.<ref name=snap>{{cite journal | journal = Nature | volume = 413 | pages = 477–478 | year = 2001 | doi = 10.1038/35097152 | title = Snapping shrimp make flashing bubbles | author1 = Lohse D.|author2= Schmitz B.|author3=Versluis M.}}</ref> S tleskom teh klešč deseteronožci ustvarijo [[zvočni pritisk]] do 80 [[kilo|k]][[paskal|Pa]] na razdalji 4 [[centi|c]]m, ki jo dovolj močan, da ubije majhno [[ribe|ribo]] ali razbije kozarec.<ref>{{cite journal |quote=no |author1= Versluis M.|author2=Schmitz B.|author3=von der Heydt A. |author4=Lohse D. |title=How Snapping Shrimp Snap: Through Cavitating Bubbles |journal = Science |volume=289 |year=2000 |pages=2114–2117 |doi=10.1126/science.289.5487.2114 |pmid=11000111 }}</ref> Pri tem temperatura v nastalih mehurčkih naraste do 5.000 K, posledično pa nastane svetloba. Le-ta ima manjšo intenziteto kot pa svetloba, izsevana pri sonoluminiscenci pri eksperimentih, in je ni mogoče zaznati s prostim [[oko|očesom]]. Najverjetneje je sonoluminiscenca v danem primeru le stranski pojav in nima biološkega pomena. Kljub temu pa predstavlja odkritje sonoluminiscence pri deseteronožcih prvo odkritje tega pojava od leta 2001.<ref name=snap/> Sonoluminiscenca je bila odkrita tudi pri [[bogomolčarji]]h, pri katerih nastane zaradi izjemno hitrega udarca z nogami.<ref>{{cite journal |quote=no |author1= Patek, S.N.|author2= Caldwell, R.L. |year=2005 |journal= Journal of Experimental Biology |volume=208 |pages=3655–3664 |title=Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp |doi=10.1242/jeb.01831 |pmid=16169943}}</ref>

== Glej tudi ==
* [[Implozija]]

== Sklici in opombe ==
{{opombe|2}}

== Viri ==
<div class="references-small">
* {{cite journal| last1 = Brenner| first1 = M.P.| last2 = Hilgenfeldt|first2= S. |last3=Lohse|first3= D.| date = 2002| title = Single bubble sonoluminescence| journal = Reviews of Modern Physics| volume = 74| issue = 2| pages = 425–484| publisher = [[Ameriško fizikalno društvo]] (APS)| doi = 10.1103/RevModPhys.74.425| url = http://doc.utwente.nl/42577/1/single-bubble_sonoluminescence.pdf| format = PDF| accessdate =17.9.2009}}
* Gutenkunst, R. (2003). [http://www.google.si/url?sa=t&source=web&ct=res&cd=1&url=http%3A%2F%2Fcnls.lanl.gov%2F~ryang%2FPublications%2FGutenkunst2002.pdf&ei=2hyySvCmCo-L-Qb1iYX2CQ&rct=j&q=extracting+light+from+water%3Asonoluminescence&usg=AFQjCNF2nvQSTLzOBgKAFRtOHWodRqnfLg »Extracting light from water: Sonoluminescence«]. ''American Journal of Physics'' '''71''' (4): 365-378. Pridobljeno 17.09.2009.
</div>

== Zunanje povezave ==
{{kategorija v zbirki|Sonoluminescence|Sonoluminiscenca}}
* [http://www.techmind.org/sl/ Podroben opis sonoluminiscenčnega eksperimenta] {{ikona en}}
* [http://cams.njit.edu/~kondic/sl/sl.html Temperaturni profil mehurčkov pri sonoluminiscenci] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110813030852/http://cams.njit.edu/~kondic/sl/sl.html |date=2011-08-13 }} {{ikona en}}
{{-}}
{{Luminiscenca}}

[[Kategorija:Luminiscenca]]
[[Kategorija:Ultrazvok]]
{{normativna kontrola}}