Sonoluminiscence

Věřili byste tomu, že výrazným hlukem působícím na vzduchovou bublinu ve vodě vzniknou nejenom světelné záblesky, ale také teplota dosahující  tisíců stupňů Celsia?  Při uvěznění malé vzduchové bublinky do  baňky naplněné vodou, vystavíme vodu působení zvukových vln.  Za příznivých podmínek vzniknou od bublinky slabé světelné záblesky. Ve 30. letech minulého století si tohoto jevu všimli němečtí  fyzikové Schultes a Frentzel. Tento jev zvaný Single-Bubble Sonoluminescence (SBSL) přeměňuje energii zvuku na světelnou energii.  Potom upadl na téměř  50 let  do zapomnění, než jej na kalifornské univerzitě v Los Angeles zvovuobjevil  Seth Putterman.

Experimenty zjistil, že k vyvolání sonoluminiscence je nutné působit  na vodu  zvukem 110 decibelů. Vznikl pak záblesk, který  trval přibližně 50 pikosekund. Průměr bublinky je zpočátku několik mikrometrů, když tlak zvuku poklesne, dojde k její rychlé expanzi na průměr až 50 mikrometrů. Poté se tlak zvuku zvětší, uvnitř bubliny se vytvoří vakuum. Rozdíl tlaků mezi vnitřním a vnějším prostorem vede ke katastrofickému kolapsu, při kterém se průměr bublinky znovu zmenšuje na 0,5 mikrometrů!  Během jejího kolapsu jsou atomy obsaženého v bublince ionizovány a  dojde k uvolnění  světelného záblesku, při kterém se vyzáří  i UV záření.

Bylo také vypočítáno, že pro uvolnění záblesku ve spektru ultrafialového záření je potřeba, aby teplota uvnitř bublinky dosáhla hodnoty 72 000 °C! Této teploty ale nelze dosáhnout prostým stlačením bublinky. Určité vysvětlení podává názor, že vzrůst teploty vyvolává tzv. rázová vlna, která vzniká vzhledem k nadzvukové rychlosti kolabování bubliny.

Čím silnější použijeme zdroj zvuku, tím může vzniknout větší bublinka vzduchu ve vodě.  Zda se uvolní i záření o kratší vlnové délce nevíme, protože je absorbováno okolní vodou a proto nelze změřit. Čím má voda nižší teplotu, tím je větší intenzita záblesků (snížení teploty z 30°C na 0°C způsobí zvýšení intenzity záblesků asi 200x). Experimentováním se zjistilo, že za sonoluminiscenci je zodpovědný argon, kterého je ve vzduchu asi  1%, a že k vyvolání sonoluministence je ho možno nahradit i heliem a xenonem. Ve vzduchu, z něhož byly vzácné plyny odstraněny, se tento jev nepodařilo vyvolat.

Sonoluminiscence je v současné době intenzivně studována a dosud neexistuje uspokojivý fyzikální model pro vysvětlení tohoto jevu. Nabízí se celá řada otázek, které zatím nebyly uspokojivě vysvětleny. Posuďte sami: V jakém stavu je plyn uvnitř bubliny v okamžiku jejího prasknutí? Jaká je skutečná teplota plynu a jakým způsobem ji vlastně změřit? Co je příčinou úžasné stability záblesků (podobných zábleskům laseru)? Jaká je nejmenší vlnová délka vyzářeného světla?