Élet és tudomány, LV. évfolyam 17. szám (2000. április 28.) 34. oldal
|
Szonolumineszcencia fo
lyadékkal teletöltött akusztikus rezonátorban*
hozható létre (1. ábra). A képen az általunk tervezett henger alakú rezonátor
látható működés közben. A középpontban levő apró, kékes pont a fénylő buborék.
A rezonátor falára ragasztott piezokristály*-adók
gerjesztik a rendszert (a képen alul és felül), amelyek a rájuk adott váltófeszültséget
harmonikus mechanikai rezgéssé alakítják. A gerjesztéshez olyan frekvencia kell,
amely m
egfelel a rezonátor legelső akusztikus rezonanciafrekvenciájának*.
Ez – a rezonátor méretétől és alakjától függően – a 20–40 kilohertzes ultrahang-tartományba
esik. (A rezonátor méretét úgy kell megválasztani, hogy a rezonanciafrekvencia
azmberi fül hallástartományán kívül legyen, nehogy a jelenség létrehozásához
szükséges intenzitás halláskárosulást okozzon.)
Felfúvódik, összeroppan
Az akusztikus rezonanciáján gerjesztett folyadé
kban állóhullámok alakulnak ki,
s ezek az apró (mikrométer nagyságrendű) buborékot nemlineáris, gömbszimmetrikus
rezgésre serkentik. A rezgő buborékra az állóhullám olyan erőt fejt ki, amely
ellensúlyozza a felhajtóerőt: a buborékot a rezonátor centrumában – ott, ahol
a legnagyobb a nyomásamplitúdó – stabilizálja. A 2. ábrán a buborék sugarának
és a nyomásnak a változása látható az idő függvényében, egy akusztikus periódus
alatt.
Az első félperiódusban a buborék felfúvó
dik. A folyadék nagy tehetetlensége
miatt a tágulás egy darabig még akkor is folytatódik, amikor a külső nyomás
már nagyobb a belső gáznyomásnál. Amikor a buborék sugara maximális, a belső
gáznyomás olyan alacsony, hogy szinte vákuumnak tekinthető, ezért a külső –
egy atmoszféra nagyságrendű – nyomás hatására a buborék összeroppan. A minimális
sugár elérésekor a buborékot alkotó gáz rövid időre erősen felhevül, s ez pikoszekundum
(10-12 másodperc) nagyságrendű fényimpulzus kibo
csátására vezet. A felvillanás
minden periódusban megismétlődik, így a buborék az emberi szem számára a nagy
frekvencia miatt folyamatosan világít.
5. ábra. Egy pohár vízben intenzív ultrahangadóval
|
A fénylő buborék létrehozásának az az egyik feltétele, hogy folyadékot részlegesen
gáztalanítsák: a folyadékban oldott gázok koncentrációját a légköri nyomáson
és szobahőmérsékleten érvényes értéknek kevesebb mint a felére csökkentsék.
Erre azért van szükség, mert a gázokban túlságos
an dús folyadékban a nagy nyomásamplitúdó
hatására spontán buborékképződés (kavitáció) indul meg. A sok, egymással kölcsönhatásban
levő buborék jelenléte pedig lehetetlenné teszi, hogy egyetlen buborék zavartalanul
gömbszimmetrikus rezgéseket végezhessen, márpedig ez a folyamatos világítás
kulcsa.
Négyszeres naphőmérsékleten
Az egybuborékos szonolumineszcencia első sikeres létrehozása óta eltelt tíz
évben a jelenséget számos szempontból tanulmányozták.
A kezdeti mérések a kibocsátott
fény tulajdonságaira összpontosítottak, például a felvillanások időtartamára
és spektrumára, mivel ezek értékes információk a fénykibocsátás mechanizmusának
megértéséhez. A felvillanások meglepően rövidnek bizonyultak, a kísérleti paraméterek
értékeitől függően 30–300 ps. A kibocsátott fény színképében (3. ábra) az egyre
nagyobb fotonenergiák (csökkenő hullámhosszak) felé növekvő intenzitás, a folytonosság,
továbbá a gáz és a folyadék anyagára j
ellemző spektrumvonalak teljes hiánya
mind arra enged következtetni, hogy a felvilla-
nás pillanatában a buborék belsejében rendkívül magas nyomás és hőmérséklet
uralkodik. A spektrum 200 nanométer körüli hirtelen csökkenése („levágása”)
annak következménye, hogy a víz ebben a tartományban (200 nm-nél rövidebb hullámhosszokon)
teljesen elnyeli a sugárzást, így annak többi része már nem jut el a detektorig.
A buborékot felületi sugárzónak feltételezve, a sugárzás színképből m
eghatározott
hőmérsékletének alsó határa 25 000 kelvin. Ez több mint a négyszerese a Nap
felületi hőmérsékletének!
A mérésekből az is kiderült, hogy a fénykibocsátás rendkívül érzékeny a kísérleti
körülmények megváltozására.
Ha például a vizet szobahőmérsékletről 5 Celsius-fok alá hűtjük, az elérhető
legnagyobb fényesség durván a tízszeresére nő (4. ábra).
Fontos megjegyezni, hogy a jelenség nem hozható létre bármely folyadékkal vagy
gázzal. Felfedezésekor vizet, illetve levegőt használtak (kísérleti szempontból
ez a legegyszerűbb), és mindmáig úgy látszik, hogy ezzel a kombinációval érhető
el a legstabilabb és a legintenzívebb fénykibocsátás. Hasonlóan jó tulajd
onságúak
a nemesgázbuborékok is akkor, ha vizet használunk folyadékként. Xenonnal néhány
alkoholban is sikerült egybuborékos szonolumineszcenciát létrehozni, de a fényesség
messze elmaradt a víz-levegő párosítással elérhetőtől. Különféle gázkeverékeket
tanulmányozva kiderült, hogy a nemesgázok nélkülözhetetlenek a stabil szonolumineszcenciában.
A levegőbuborék sikere is a levegő 1 százalékos argontartalmának köszönhető.
Sőt a kitartó kísérletezés és elméleti modellezés
végül bebizonyította, hogy
a világító „levegőbuborék” szinte teljes mértékben csak argont tartalmaz. Felvillanásokkor
a buborék hőmérsékletén a nitrogén- és oxigénmolekulák disszociálnak, a felbomlott
molekulák atomjaiból a vízben nagyon jól oldódó szabad gyökök képződnek. Ezeket
a víz néhány periódus után kiszívja a buborékból, s csak a kémiai reakciókra
immunis nemesgázok maradnak hátra.
Miniatűr csillag?
A számos kísérleti eredmény és intenzív elmé
leti erőfeszítés ellenére a jelenséggel
kapcsolatos problémák száma máig is alig csökkent. Az egyik fő kérdés, a fénykibocsátás
valódi mechanizmusa még mindig tisztázásra vár. A javasolt elméleti modellek
nagy száma és különbözősége mind a probléma összetettségére utal. Még az sincs
tisztázva, hogy a jelenség megértéséhez elegendő-e a klasszikus mechanika ismerete.
A klasszikus modellek közül a szonolumineszcencia lökéshullám*-elmélete
bizonyult a l
egsikeresebbnek, és egyben ez a legtöbbet tanulmányozott modell.
Az alapötlet az, hogy az összeomló buborék határfelületének a sebessége a minimális
sugárhoz közeledve túllépi a gázban érvényes hangsebességet, s a buborék belsejében
gömbszimmetrikus lökéshullám alakul ki. A lökéshullám a buborék centrumán áthaladva
nagymértékben, 10 millió kelvin nagyságrendű hőmérsékletig felfűti a központi
régiót. E modellben a világító buborék leginkább egy miniatűr csillaghoz hasonlítható,
amelyben a hőmérséklet a középpontban jóval meghaladja a felszíni értéket. A
modell hiányossága, hogy a jósolt fénykibocsátás túlságosan függ a tökéletes
gömbszimmetriától.
Egészen a röntgensugárzásig
Fontos nyitott kérdés, amelynek megválaszolása segítene dönteni az elméleti
modellek között, hogy mekkora fotonenergiákig folytatódik a sugárzás még azon
túl, amit a víz az ultraibolya tartományból elnyel. Ennek nagyságára a modellektől
függően igen külön
böző értékeket jósoltak. Például a lökéshullámmodell bizonyos
változataiban még kismértékű röntgensugárzás is várható, míg más modellek szerint
a spektrum nem folytatódik a 200 nm-es határ mögött. A nehézséget maga a víz
okozza azzal, hogy az ultraibolya és a lágyröntgen-tartomány között a sugárzást
már akkor is tökéletesen elnyeli, ha a vízréteg vastagsága a milliméter törtrésze.
Szintén fontos kérdés a víz kitüntetett szerepe a folyadékok között. E kísérleti
tapaszta
lat okának pontosabb ismerete lehetővé tenné, hogy a jelenséget adott
szempontból optimalizálják. Például kiderülne, hogy milyen kísérleti paraméterekkel
érhető el az a legnagyobb fényesség, legrövidebb fényimpulzus vagy a legnagyobb
precizitás, amely a gyakorlati felhasználás számára éppen szükséges.
Egybuborékos, sokbuborékos
Nehéz megjósolni – akárcsak más alapkutatások esetén, hogy a jövőben az egybuborékos
szonolumineszcenciának milyen alkalmazásai leh
etnek. Mindenesetre már a megértés
mai szintjén is beszélhetünk néhány olyan alkalmazásról, amelyek a jelenség
valamelyik különleges tulajdonságát használják ki. Például a kísérleti paraméterek
bizonyos értéke mellett elérhető, hogy a buborék felvillanásai között eltelő
idő 50 pikoszekundumos hibahatárral mindig ugyanaz legyen, így rendkívül precíz
periodikus fényforrásként használható például mérési folyamatok időzítésére.
Van, ahol a felvillanások időtartamának rövidsége is k
ihasználható, ehhez idáig
csak sokszorosan drágább speciális lézereket tudtak használni.
Az a nem mindennapi tény, hogy egyszerű és olcsó eszközökkel igen magas hőmérsékletek
állíthatók elő egy gázbuborékon belül, sokakat arra a feltételezésre vezetett,
hogy a jelenségnek a termonukleáris fúzió tanulmányozásában is szerepe lehet.
Ebbe az irányba már megtették az első lépéseket azzal, hogy deutériummal közönséges
és nehézvízben egyaránt sikeresen váltottak ki zonolumineszcenc
iát.
ASz egybuborékos szonolumineszcencia kutatásának a jelentősége abban is megnyilvánul,
hogy ez a sokbuborékosnak az alapesete (5. ábra), vagyis olyan rendszer, amelynek
az ismerete elengedhetetlen a bonyolultabb kölcsönhatásban levő buborékrendszerek
folyamatainak megértéséhez. Valójában a szonolumineszcencia jelenségének felfedezése
a sokbuborékos esettel kezdődött az 1930-as években, de a bonyolultsága miatt
lehetetlen volt a folyamat mélyére látni. Ennek ellenére a so
kbuborékos szonolumineszcenciát
régóta használják kémiai reakciók katalizálására, s ez egy önálló szakterület,
a szonokémia kialakulására vezetett. A közelmúltban a jelenség sokbuborékos
változatát sikeresen alkalmazták veszélyes hulladékok lebontására és amorf fémek
laboratóriumi előállítására is.
(Folytatjuk)
Csabai István, Horváth Ákos, Simon Gábor
(ELTE Atomfizikai Tanszék és
Komplex Rendszerek Fiziká
ja Tanszék)