Sonoluminescenza
La sonoluminescenza è un processo molto affascinante, nel quale l'energia sonora viene trasformata in luce, generata da una bolla, posta all'interno di un fluido, colpita da un suono. Nonostante il fenomeno fosse noto sin dai primi anni '30 del secolo scorso, solo dal 1988 si iniziò a studiarlo con ricerche mirate.
La parola sonoluminescenza vuol dire luce dal suono ed è derivata dal Latino sonus, che vuol dire suono, e dal Greco lumos, luce. Il fenomeno consiste semplicemente in una piccola bolla di gas in un fluido che collassa rapidamente e può essere classificato in due modi differenti: SonoLuminescenza a Bolle Multiple (SLBM) e SonoLuminescenza a Bolla Singola (SLBS).
Nel 1933, N. Marinesco e J. J. Trillat trovarono che una lastra fotografica era stata annebbiata dall'immersione in un liquido che era stato agitato dagli ultrasuoni: venivano scoperte le SLBM. Un anno più tardi, H. Frenzel e H. Schultes, dell'Università di Colonia, riuscirono a riprodurre una luce debole ma visibile nell'acqua utilizzando gli ultrasuoni. I due studiosi cercarono di spiegare il fenomeno da loro osservato suggerendo che fosse un fenomeno elettrico causato dal moto delle bolle, quindi lasciarono perdere i loro studi, in quanto, in quei tempi di guerra, non erano utili alla marina.
Le SLBM sono molto difficili da studiare: emettono luce per pochi nanosecondi e sono in costante movimento; le ricerche erano pertanto limitate dagli intervalli temporali e spaziali tipici di queste nubi di bolle. Nel 1988, però, H. G. Flynn realizzò un modello teorico del moto acustico della bolla. Con queste informazioni D. F. Gaitan trovò le condizioni richieste per ottenere la sonoluminescenza da una bolla singola, SLBS.
SLBS è molto più facile da studiare, poiché è una bolla singola, stazionaria, ad essere intrappolata in una boccetta. Questa bolla può essere estremamente stabile e incandescente per diversi minuti, rendendo possibile studiare sia la bolla stessa, sia la luce emessa. Subito dopo la sua scoperta, Gaitan perse qualsiasi interesse nella sonoluminescenza, e la ricerca venne proseguita dal dr. Seth Putterman all'UCLA. Putterman ha pubblicato diversi articoli sull'argomento e determinato molte delle caratteristiche note della SLBS. Una bolla singola è molto più brillante di un SLBM rendendo gli studi spettrali più semplici.
Il fenomeno, comunque, è ancora poco noto a causa dei molti modelli teorici proposti.
Innanzitutto è necessario bloccare una bolla d'aria: la boccetta di liquido al cui interno si svolgerà l'esperimento dovrà vibrare ad una frequenza di risonanza naturale. In questo modo si riesce a stabilizzare il campo acustico al cui interno andrà a riposare la bolla.
Dopo aver determinato la frequenza di risonanza della boccetta, esplorando una vasta gamma di frequenze, bisogna eliminare alcuni processi che potrebbero alterare i risultati e il buon esito dell'esperimento: si opera, quindi il degassaggio dell'acqua. Questa operazione è assolutamente necessaria, poiché la bolla non rimbalza passivamente. Quando la bolla è giunta alla sua massima estensione ha una pressione molto bassa, l'aria quindi si diffonde attraverso la superficie della bolla e nella bolla; per contro quando è piccola la bolla perde aria.
La diffusione dell'aria deve essere all'equilibrio, per poter mantenere la bolla stabile: in caso contrario la bolla scompare, o per contro cresce fino a volare via. Per creare tale equilibrio, la pressione parziale dei gas presenti nell'acqua deve essere ridotta:
La bolla, una volta creata, per poter emettere una scintilla, deve essere bloccata. A questo punto, per poter osservare la piccola luce prodotta, vengono utilizzati due strumenti: il fotomoltiplicatore e l'occhio umano. Tra i due, l'occhio umano non è lo strumento migliore, poiché non porta memoria dell'evento, che può essere registrato ed esaminato meglio con uno strumento esterno come il fotomoltiplicatore.
Nell'istante dell'emissione, la bolla ha un diamentro inferiore al micron e sta collassando così rapidamente che anche pressione (>>1) e temperatura effettiva (T>10000 K) stanno cambiando molto rapidamente, tanto che sia le teorie standard sia le tecniche sperimentali non sono in grado di dire quali sono le condizioni che si combinano insieme per produrre i lampi osservati.
I dati spettrali hanno fornito interessanti informazioni sulla sonoluminescenza: gli spettri hanno spesso mostrato un incremento dell'intensità negli UV, a volte anche con un picco nelle vicinanze di tali frequenze. Quando si confrontano con la distribuzione di Planck per la radiazione del corpo nero, questi spettri indicano temperature per la sorgente che vanno da 10000 K fino a 25000 K, o anche maggiori.
Per avere un'idea della durata della luce, si può fare un semplice calcolo utilizzando la legge di Stefan-Boltzman:
A Δt T4 = 8,46 · 102 cm2 s K4
dove T è la temperatura effettiva della sorgente in Kelvin. Questa semplice equazione consente di legare alcune grandezze fondamentali per il fenomeno. Ad esempio, per una bolla con una superficie A per una sfera di 1 micron e con un intervallo di tempo di durata per la sorgente pari a Δt=50 ps, si ottiene una temperatura T=10000K, che è consistente con uno spettro di corpo nero. Misure con tempi o superfici inferiori hanno prodotto sorgenti a temperature maggiori.
Infine nella bolla non è presente solo aria, ma anche un gas nobile, che per caratteristiche evita alla bolla imperfezioni facendo in modo che la sua forma sia il più sferica possibile, oltre a rendere il segnale luminoso più brillante.
Ci sono diverse teorie che hanno cercato di spiegare questo fenomeno e descriverne i meccanismi, tutti con diversi punti a loro favore. Nessuna di queste teorie ha, però, spiegato completamente tutte le proprietà della sonoluminescenza. Sei tra queste sembrano avere avuto un maggiore successo:
Questa teoria fu proposta per la prima volta da Seth Putterman. La teoria si basa sul fatto che la bolla resti perfettamente sferica. Quando la bolla collassa, la pressione all'interno aumenta - al raggio minimo questa potrebbe essere intorno ai 200Mbar. In queste condizioni le forze di Van der Waals nel gas diventano significative e la bolla smette di collassare. La parete della bolla decellera di 1011g, ma un'onda di shock continua al centro della bolla che riscalda ulteriormente il gas al centro. Quando l'onda è al suo minimo, l'energia che trasporta è diminuita di un fattore 1012 e avviene l'emissione di luce. Secondo tale teoria, la luce osservata potrebbe essere prodotta da due distinti meccanismi:
Questa teoria è molto più recente della precedente e le due sono reciprocamente esclusive. Andrea Prosperetti, il propositore del modello, crede che la bolla, mentre collassa, non rimanga sferica ed azionerà una piccola barretta di acqua attraverso la bolla. Questa barretta è anche detta jet, poiché probabilmente viaggia, se esiste, a circa 2500 chilometri all'ora. La sonoluminescenza è prodotta come conseguenza di questo martello d'acqua che colpisce il lato lontano della bolla e che rompe l'acqua nel punto d'impatto.
Quando viene tirata lentamente, questa si allunga e fluisce, quando invece è tirata rapidamente, le particelle non hanno abbastanza tempo di fluire e avviene la rottura. Il meccanismo di emissione della luce si suppone essere la fracto-luminescenza, lo stesso processo che produce la luce osservata quando il ghiaccio si spezza.
Non c'è prova sperimentale che contraddica direttamente questa teoria, che è in grado di predire molte delle proprietà già trovate della sonoluminescenza. Per produrre il lampo di luce, sono necessarie piccole quantità di gas nobili, per evitare quelle impurità che interromperebbero la forma quasi cristallina dell'acqua, evitando così la produzione dei punti di rottura. La dipendenza dalla temperatura della sonoluminescenza può essere spiegata col fatto che, a meno che i legami dell'idrogeno non vengano rotti termicamente, la presenza delle molecole d'acqua ad energie più basse fa sì che ci sia un maggior numero di legami alle temperature più alte. I legami supplementari aumenterebbero la rigidità dell'acqua, in modo tale da aumentare la frattura e la luce di emissione correlata.
E', in pratica, la ripetizione della teoria delle onde di shock con alcune modifiche. Robert Hickling suppone che le alte pressioni generate dal collasso della bolla possano causare un raffreddamento dell'acqua ai bordi della bolla, aumentando la forza dell'onda di shock.
Il pregio maggiore di questa teoria è la sua capacità di riprodurre la dipendenza dalla temperatura della sonoluminescenza e l'efficacia di gas differenti secondo la facilità con cui si diffondono dentro e fuori la bolla. La teoria è relativamente giovane: i primi articoli sono datati 1957 e i calcoli si basano su SLBM, lasciando, così, un velo di dubbio sulla loro validità quando vengono applicati a SLBS.
Lothar Frommhold e Anthony Atchley hanno proposto una teoria completamente nuova, che non dipende dalla forma della bolla al momento del collassamento. L'emissione indotta da collisione si pensa che sia una sorgente importante delle radiazioni emesse dalle stelle calde e di quelle presenti nelle atmosfere planetarie; inoltre, ci si aspetta di osservarla, nel visibile, a temperature molto più basse di 106 K in gas ad alte densità .
Quando due molecole dello stesso gas, se nella bolla c'è un unico gas, o di due gas differenti, se questa presenta anche un gas nobile, come spesso avviene, si avvicinano e collidono, inducono un cambiamento nei dipoli di entrambe: è la formazione e il rilassamento di questi dipoli a causare l'emissione della luce.
La collisione avviene a scale temporali molto piccole e così la luce prodotta ha una banda vasta, ed è una figura ben visibile nella sonoluminescenza. Più precisamente, la teoria predice l'effetto dell'aggiunta di un gas nobile: più luce verrà emessa quando la forza dei dipoli ha raggiunto un massimo. Ciò accade quando collidono due molecole neutre con differenti stati rotazionale e vibrazionale. Non fa predizioni sulla dipendenza dalla temperatura.
Il modello, infine, calcola per diversi gas nobili il potere di emissione per unità di volume
Questa teoria, in realtà , effettua un confronto tra l'SLBS e gli scintillatori a gas ad alta pressione. Uno scintillatore a gas emette luce quando una particella carica si muove attraverso un gas nobile: si suppone che avvenga il medesimo meccanismo all'interno di una bolla di sonoluminescenza. I gas nobili sono le fonti luminose principali negli scintillatori: il più brillante è lo xeno, che è anche il miglior dopante per le soluzioni non-acquose e un ottimo dopante per l'acqua. La luce prodotta da uno scintillatore a gas è soprattutto ultravioletta e non contiene linee spettrali: ciò si correla bene con le osservazioni sulla sonoluminescenza. Elio e argon producono luce che non potrebbero trasmettere attraverso l'acqua - le osservazioni rivelano che l'intensità del picco di luce di un SLBS dopato con questi gas non si alza fino a questa regione dello spettro - questo esclude l'uso di questi gas nella sonoluminescenza. La dipendenza dalla temperatura è paragonata all'effetto delle impurità nello scintillatore a gas. Il grafico della dipendenza in temperatura della sonoluminescenza è approssimativamente esponenziale, in accordo con la dipendenza dalla temperatura osservata al variare della solubilità nell'acqua di differenti impurità . La teoria conclude che l'SLBS agisce come un piccolo scintillatore a gas ad alta pressione, le cui proprietà sono ben documentate.
Con questo metodo di indagine, però, non si riescono a spiegare alcune delle proprietà della sonoluminescenza. Inoltre ha un difetto: il periodo di ricombinazione dei gas nobili è il fattore che determina il tempo d'uscita della luce nello scintillatore ed è dell'ordine dei nanosecondi, mentre il lampo di luce osservato è dell'ordine dei picosecondi.
Questa teoria è radicalmente differente da tutte le altre. Claudia Eberlein suppone che la sonoluminescenza possa essere un fenomeno di vuoto quantistico. La teoria è ispirata da un'idea di Julian Schwinger, per il quale la sonoluminescenza è un fenomeno analogo all'effetto Casimir dinamico, nel senso che le fluttuazioni di punto-zero del campo elettromagnetico potrebbero trovarsi all'origine della radiazione osservata. L'effetto Unruh, che discende dal primo, è, però, più strettamente legato alla sonoluminescenza: ben noto in teoria di campo, nella sua formulazione originale afferma che uno specchio che si muove nel vuoto di moto uniformemente accelerato emette fotoni con una distribuzione spettrale simile alla radiazione di corpo nero. Il fenomeno è più generale di quanto qui descritto e in particolare non ristretto agli specchi ideali. Questo tipo di radiazione si è visto generata anche da un dielettrico in movimento. La sonoluminescenza potrebbe essere identificata innanzitutto come manifestazione della radiazione di vuoto quantistica. Quando la bolla smette di collassare, la sua superficie accelera ad oltre 1011g ed è questa forte accelerazione a rendere l'effetto non trascurabile. La radiazione quindi sarebbe emessa dalla superficie della bolla: anche se le emissioni di dipolo osservate sembrano contraddire ciò, queste assumono una simmetria sferica, che non è, comunque, richiesta da questa teoria.
Ci sono, poi, alcune grandezze di interesse sperimentale che il modello teorico è in grado di calcolare. Innanzitutto la densità spettrale:
Un'altra quantità molto importante è l'energia W irradiata durante un ciclo acustico:
Sebbene ci siano effetti, come il dopaggio da gas nobile, che la teoria non considera, ci sono poche evidenze sperimentali contro la stessa, che rappresenta correttamente l'energia emessa e la durata di ciascun impulso.
Un pò di storia
Descrizione di un esperimento
Purificata l'acqua e versatala nella boccetta, bisogna creare una bolla al suo interno: si può, ad esempio, far cadere una piccola quantità d'acqua sopra quella nella boccetta - sono molti i pareri sul modo di fare tale operazione: alcuni ritengono che vada fatto velocemente, altri gentilmente, altri ancora aggirano il problema utilizzando una serie di tostapani per avere bolle di vapor acqueo (queste bolle non restano come vapor acqueo, ma nello stesso modo in cui questo diffonde in un liquido, alcuni gas si diffondono nella bolla, che quindi resta tale).Alcune teorie
Tutte le teorie, pur essendo valide, non riescono a spiegare completamente tutte le proprietà della sonoluminescenza. Di ognuna viene data, nelle sezioni seguenti, una più o meno breve descrizione.Onda di Shock
Questa teoria fornisce un meccanismo ragionevole per la concentrazione dell'energia nella bolla, ma ha alcune imperfezioni: ad esempio non predice alcun aumento nell'intensità per l'acqua riscaldata.Formazione di jet
Solidificazione ad alte pressioni
Emissione indotta da collisione
dove ω è la frequenza angolare, T la temperature, ρ1 e ρ2 le densità dei due gas, c la velocità del suono NL il numero di Loschmidt, V il volume della bolla, ge la densità spettrale.Scintillazione dei gas
Radiazione di vuoto quantistica
Questo risultato ha una grande importanza, poiché mostra che lo spettro della luce emessa assomiglia allo spettro di un corpo nero.
ottenuta nel limite di corte lunghezze d'onda.Bibliografia
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