Звук с температурой в тысячи градусов

Игорь Иванов

• Свечение, порожденное звуком
• Эксперимент и еще раз эксперимент!
• Лаборатория экстра-класса для химика и материаловеда
• Сонолюминесценция в медицине: диагностический прибор и скальпель
• «Нам не дано предугадать...»

Эксперимент и еще раз эксперимент!

Спектр сонолюминесцентного света для начальных пузырьков разного размера. Чем больше начальный размер, тем более несимметричен процесс сжатия, и тем меньшие температуры при этом достигаются. Появление и исчезновение отдельных линий излучения доказывает тепловую природу сонолюминесценции (изображение с сайта www.scientific.ru)

Ключевыми для разрешения всей этой совокупности загадок стали эксперименты по многопузырьковой сонолюминесценции, проведенные рядом исследовательских групп в середине 1990-х годов. Многопузырьковая сонолюминесценция (свечение, вызываемое непрерывным рождением и схлопыванием множества отдельных пузырьков) является как бы «ухудшенной» версией обычной, однопузырьковой сонолюминесценции, поскольку ультразвуковая волна в этом случае фокусируется не в точку, а в некоторый объем жидкости. Эксперименты показали, что свечение в этом случае тусклее, чем при единственном пузырьке, и, самое главное, в его спектре присутствовали отдельные яркие линии излучения. Было установлено, что эти линии излучения принадлежали возбужденным гидроксил-радикалам — осколкам молекулы воды, появляющимся при высокой температуре, а также атомам и ионам растворенных в воде веществ. Температура светящегося газа, восстановленная по этим линиям излучения, оказалась порядка 2000-5000 кельвинов.

Раз такие температуры достигаются даже в «ослабленном» случае, то становится неудивительным и спектр однопузырьковой сонолюминесценции. Эксперименты, проведенные в начале 2000-х годов группой Кеннета Саслика (Kenneth Suslick) из Иллинойса и другими исследователями, подтвердили, что в этом случае температура может достигать нескольких десятков тысяч кельвинов. При таких высоких температурах (а значит, и высоких давлениях) в пузырьке отдельные возбужденные ионы так часто сталкиваются друг с другом, что попросту не успевают «начать высвечивать» свои характерные линии излучения, чем и объясняется гладкость спектра.

Прогресс в эксперименте привел и к формированию теоретического описания сонолюминесценции. В общих чертах ситуация такова: под действием давления ультразвуковой волны пузырек сжимается с огромным ускорением, нагревая находящиеся внутри пары воды и всего того, что было в воде растворено. Однако это только «первая ступень» нагрева. В последние моменты своего существования пузырек достигает сверхзвуковой скорости сжатия и порождает схлопывающуюся ударную волну, которая может скачком поднять температуру еще в несколько раз. Эффективность нагрева зависит от состава газа: известно, что чем проще устроены молекулы газа, тем сильнее он нагревается при сжатии. Это и объясняет влияние инертных (одноатомных) газов на яркость сонолюминесцентного света. Кроме того, самое эффективное сжатие испытывает один-единственный сферически симметричный пузырек, что и приводит к столь высокой температуре однопузырьковой сонолюминесценции. Интересно, как переплелись при описании этого явления самые разные области физики: акустика, сверхзвуковая гидродинамика, теория устойчивости, молекулярная физика, физика плазмы.