Monday, May 2, 2011

звук, рождающий свет

Американским физикам удалось провести эксперимент, в результате которого ультразвуковая волна в жидкости смогла породить вспышку света мощностью в сотню ватт. Это явление известно достаточно давно и называется оно сонолюминесценцией. Некоторые ученые уверены: наконец-то в руках человечества - ключ к созданию источника неиссякаемой энергии.

Недавно в ходе экспериментов физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе зарегистрировали рекордно мощную вспышку сонолюминесценции. Этим мудреным словом ученые называют явление возникновения вспышки света при схлопывании пузырьков, которые появляются в жидкости при воздействии на нее мощной ультразвуковой волной. Это явление известно еще с 30-х годов прошлого века, однако глубоко изучать его начали совсем недавно.
Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит так: в емкость 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, что говорит о том, что звук превращается в свет. Однако механизм данного явления достаточно сложен и интересен.
Версия для печати

Расчеты и анализ данных показывают, что стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создает в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву водной толщи и образованию так называемого кавитационного пузырька, то есть полости внутри воды, заполненной паром. Далее, когда волна переходит в фазу сжатия, данное давление уменьшается и этот кавитационный пузырек схлопывается, причем с достаточно высокой скоростью.

Было замечено, что в ряде случаев процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения. В итоге на заключительной стадии процесса сонолюминесценции из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Следует заметить, что, поскольку каждый кавитационный пузырек рождается и схлопывается миллионы раз за секунду, - наблюдатель видит усредненный сонолюминесцентный свет, являющийся результатом "деятельности" огромного количества подобных пузырьков. Для нас этот свет кажется голубоватым, хотя, как было доказано рядом опытов, рыбы воспринимают его скорее как малиновый.


Согласно исследованиям физиков, спектр данной люминесценции имеет гладкий вид и не содержит явно выделяющихся линий, что свидетельствует в пользу теплового механизма излучения. Поэтому вполне логично предположить, что источником света в данном случае становится небольшое облачко плазмы, в которое под огромным давлением превращается пар, находящийся в пузырьке. Именно эта плазма на короткое время зажигается в центре схлопывающегося пузырька, что в чем-то роднит свет, порождаемый ими со светом, идущим от звезд.

В большинстве экспериментов мощность сонолюминесцентных вспышек не превышает 10 мВт. Однако физики уже давно научились повышать ее, добавляя в состав некоторого количества благородных газов, таких как гелий, аргон и ксенон, которые при образовании кавитационного пузырька попадают внутрь него вместе с водяным паром. В результате семь лет назад ученым из Кембриджского университета удалось получить вспышку пиковой мощностью в 1 Вт. Но нынешний эксперимент американских исследователей, конечно же, побил все предыдущие рекорды.

Сам опыт, кстати, тоже был весьма оригинален. Сначала исследователи заполнили ёмкость цилиндрической формы, размещённую в сантиметре над стальной плитой, фосфорной кислотой и с помощью иглы ввели в эту "трубу" миллиметровый пузырёк ксенона. Когда последний, поднимаясь, достигал высоты в 11 см, цилиндр уронили на стальное основание. Это резкое падение и породило давление, приведшее к схлопыванию пузырька. Причем схлопнулся он, что называется, "ярко, красочно и со вкусом" - экспериментаторы регистрировали 150-наносекундную ярко-голубую вспышку с пиковой мощностью, превышающей 100 Вт, а также ощутили запах озона (это часто бывает при сонолюминесценции). Спектральная температура при этом составляла 10 200 К, что для подобного явления тоже почти рекорд (обычно таковая составляет 2-3 тысячи кельвинов).

И хотя мощность вспышки все равно не достигла таковой, которую может продемонстрировать нам самая распространенная электрическая лампочка, исследователи заявляют, что в будущем они планируют ещё увеличить температуру и мощность. Кстати, данные эксперименты проводятся вовсе не для того, что бы удовлетворить личное любопытство ученых за государственный счет, а ради того, что бы опровергнуть или, подтвердить заявления другой группы физиков, которые девять лет назад опубликовали в журнале Science сенсационную статью о запуске с помощью сонолюминесценции термоядерного синтеза дейтерия в ацетоне. Впрочем, последнее, скорее всего, маловероятно.

Напомню, что в 2002 году сотрудники иллинойского университета (США) Кен Саслайк и Дэвид Флэнниган сумели достичь сонолюминисценции с необычно яркими вспышками света - настолько яркими, что они хорошо видны невооруженным глазом. Ученые воздействовали ультразвуковыми волнами частотой от 20 кГц до 40 кГц, находящимися за пределами чувствительности слуха человека, на концентрированную серную кислоту, содержащую газ аргон. Ну, а данные волны, как им и положено, приводили к образованию в жидкости областей, в которых давление менялось с высокого на низкое практически мгновенно. В результате этого микроскопические пузырьки газа то увеличивались в размерах, то "схлопывались".

При этом скорость изменения давления была столь высока, что пузырьки буквально "взрывались" под воздействием так называемой акустической кавитации, в результате чего вещество в микроскопической области нагревалось до сверхвысоких температур. Было отмечено, что оно при этом ионизировалось, а при возвращении в исходное состояние накопленная энергия высвобождалась в виде вспышки света.

Измерения, проведенные американскими химиками, показали, что температура в пузырьках достигает 15 тыс. градусов Цельсия - что в несколько раз выше, чем на поверхности Солнца. На приведенном снимке облако пузырьков газа освещается собственным свечением образующейся в них под воздействием ультразвука плазмы. "Никому прежде не удавалось измерить температуру внутри схлопывающегося пузырька", - так прокомментировал суть открытия г-н Саслайк.

В том же году похожий эксперимент провели физики из группы Рузи Талейархана из Ок-Риджской лаборатории (США). Они работали с ацетоном, в котором предварительно обычный водород был заменен на его радиоактивный изотоп дейтерий (у которого в ядре кроме протона имеется нейтрон). При этом они использовали детекторы, способные регистрировать гамма-лучи и нейтронное излучение. Именно эти явления обычно являются признаком того, что в экспериментальной емкости произошла реакция термоядерного синтеза (подробнее о ней читайте в статье "Приручение энергии термоядерного синтеза").


Самое интересное, что все эти детекторы действительно подтвердили факт возникновения подобных излучений. Однако до сих пор ряд физиков сомневается в том, что они являются результатом термоядерной реакции, произошедшей в результате сонолюминесценции. Кстати, в числе скептиков оказался и Кен Саслайк, который заявил о том, что возможность "пузырькового синтеза" в эксперименте Талейархана, строго говоря, ничем не доказывается, поскольку нет прямого подтверждения того, что зарегистрированные излучения появились в результате схлопывания пузырьков.


И вот теперь ученые из Калифорнийского университета собираются повторить этот опыт, имея в своем распоряжении технологию создания более мощной вспышки. И - кто знает - быть может, им удастся доказать возможность протекания термоядерного синтеза в плазме внутри кавитационного пузырька. Если это случится, то человечество сможет получить доступ к поистине неиссякаемому источнику энергии...

No comments:

Post a Comment