Sonolumineszenz

Unter Sonolumineszenz (lat. sono „tönen“, luminis „leuchten“) versteht man ein Phänomen, dass eine Flüssigkeit unter starken Druckschwankungen ultrakurze, hochenergetische Lichtblitze aussendet.

Ursachen

Auslöser des Phänomens ist Kavitation (Entstehen und Auflösen von Hohlräumen in Flüssigkeiten), die mit Ultraschall geeigneter Stärke und Frequenz in Flüssigkeiten künstlich erzeugt werden kann. Es bilden sich permanent neue Hohlräume, die sich zuerst schnell ausdehnen, um anschließend zu implodieren. Beim Kollaps dieser Hohlräume kann aus bisher nicht vollständig geklärten Gründen ein kurzer Lichtblitz entstehen. An der Oberfläche kollabierender Hohlräume wurden Temperaturen von über 10.000 °C gemessen.

Forschung

Sonolumineszens wurde zuerst 1934 von Frenzel und Schultes an der Universität zu Köln als sie an einem Sonarexperiment arbeiteten. In dem Experiment wurde ein Ultraschallgenerator in ein Entwicklerbad getaucht, um die Entwicklungszeit des Fotografischen Films zu verkürzen. Stattdessen sahen sie auf dem Film nach der Entwicklung viele kleine Punkte und schlossen daraus ,dass sich in der Entwicklungsflüssigkeit kleine Bläßchen entstanden waren, welche Licht ausstrahlen mussten, während der Ultraschallgenerator eingeschaltet war. Es war zu dieser Zeit allerdings noch nicht Möglich den Effekt genauer zu untersuchen, da die Blitze zu Unregelmäßig und zu Kurz waren. (Das Experiment wird auch N. Marinesco und J.J. Trillat von 1933 zugeschrieben.). Dieses Phänomen wird seitdem multi-bubble sonoluminescence (MBSL) (auf Deutsch: Mehrfach-Bläschen-Sonolumineszenz) genannt. Sonolumineszenz ist eine spezielle Art der Lumineszenz.

1974 wurde von Prof. Dr. Werner Lauterborn als Ergebnis experimenteller Untersuchungen eine Formel zur Beschreibung des Blasenradius veröffentlicht:

${\ddot {R}}+{2 \over 3R}{\dot {R}}^{2}={1 \over \rho \times R}\lbrack p_{n}({R_{n} \over R})^{3\chi }+p_{d}-{2\sigma \over R}-{4\mu \over R}{\dot {R}}-p_{stat}-p(t)\rbrack$

mit

$p_{n}={2\sigma \over R_{n}}+p_{stat}+p_{d}$

$R$: momentaner Radius der kugelförmigen Blase
$\rho$  : Dichte der Flüssigkeit
$R_{n}$  : Ruheradius der Blase
$p_{n}$  : Gasdruck in der Blase bei $R=R_{n}$
$p_{stat}$ : statischer Aussendruck am Ort der Blase
$p_{d}$  : Dampfdruck der Flüssigkeit
$\sigma$  : Oberflächenspannung der Flüssigkeit
$\mu$  : Viskosität der Flüssigkeit

von linka nach rechts: Auftreten der Blase, langsame Expansion, schneller plötzlicher Kollaps, Lichtemission

Theorien

Von der Wissenschaft werden noch nicht alle Details der Sonolumineszenz vollständig verstanden, es gibt bislang nur Theorien.

Eine Theorie besagt, dass das Gas in einem implodierenden Hohlraum durch adiabatische Kompression so hoch erhitzt wird, dass es aufleuchtet. Für diese Theorie spricht, dass das Leuchten ein kontinuierliches Spektrum besitzt, welches auf eine thermische Strahlung weist. Weiter konnte ein zeitlicher Zusammenhang zwischen den Lichtblitzen und dem Zusammenfall der Hohlräume festgestellt werden. Die Lichtblitze traten immer im letzten Moment des Zusammenfalls auf. Höheres Atomgewicht und damit schlechtere Wärmeleitfähigkeit des in der Flüssigkeit gelösten Gases beeinflussen die Lichtintensität positiv. Sowohl sehr hohe als auch sehr niedrige Viskosität der den Hohlraum umgebenden Flüssigkeit verringern dagegen die Leuchtintensität.

Spektakuläre Erklärungsversuche sind zum einen quantenfeldtheorische Überlegungen, es handele sich um einen Effekt der Vakuumenergie, zum anderen Kernfusion als Energiequelle, die sogenannte Bläschenfusion. Beide Erklärungen stoßen auf starke Skepsis der Fachwissenschaft. Seit 2002 in einem Experiment die Bläschen-Fusion geglückt sein soll, steht insbesondere diese Variante im Blickfeld der Diskussion, wobei sich die Kritik allerdings hauptsächlich auf die Messgenauigkeit und damit die Gültigkeit des Beweises konzentriert; die reine Möglichkeit einer Kernfusion wird auch von Kritikern nicht ausgeschlossen.

Multi-Bubble-Sonolumineszenz

Mit Multi-Bubble-Sonolumineszenz (kurz MBSL) bezeichnet man die zuerst entdeckte Form der Sonolumineszenz. Diese Beobachtung von schwachem Leuchten in mechanisch stark bewegten Flüssigkeiten führte zur Entdeckung der Sonolumineszenz. Das sehr kurze und auch nur schwach leuchtende Blitzen, dass bei der MBSL zufällig an verschiedenen Orten im Versuchsgefäß auftritt, ist nur schwer für das menschliche Auge wahrzunehmen. Deshalb benötigte man für diesen Versuch lichtverstärkende Kameras oder Langzeitbelichtung beim Filmmaterial.

Single-Bubble-Sonolumineszenz

In den letzten Jahren hat eine neuentdeckte Form der Sonolumineszenz das Interesse der Forschung geweckt, die Einzelblasensonolumineszenz (Single Bubble Sonoluminescence (SBSL)). Die Besonderheit liegt hier darin, dass eine einzige leuchtende Kavitationsblase über längere Zeit an einem Ort stabil gehalten und untersucht werden kann. Dies geschieht dadurch, dass man eine einzelne Luftblase in einem stehenden Ultraschallfeld hält und dort über mehrere Zyklen periodisch komprimiert und dekomprimiert. Die SBSL ist für menschliche Beobachter besser geeignet als die MBSL, weil bei der SBSL die schwachen Lichtblitze, welche eine Blitzdauer von nur wenigen Picosekunden haben, durch ihre schnelle Abfolge an gleicher Stelle im Auge des Beobachters, wie eine ständig leuchtende Blase erscheint.

Literatur

• H. Frenzel and H. Schultes, Z. Phys. Chem. B27, 421 (1934)
• R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, Jr. R. Nigmatulin, and R. C. Block, "Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation," Science 295, 1868 (2002).
• D. Shapira and M. Saltmarsh, Nuclear Fusion in Collapsing Bubbles—Is It There? An Attempt to Repeat the Observation of Nuclear Emissions from Sonoluminescence, Phys. Rev. Lett. 89, 104302 (2002)
• Y. Didenko and K. Suslick, Nature 418, 394 (2002)
• R. P. Taleyarkhan et al., Additional Evidence of Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation, Physical Review E 69, 036109, 22 March 2004.

Siehe auch

Kernfusion | Plasmaphysik | Kalte Fusion | Bläschenfusion