소놀루미네센스

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소음발광은 소리에 의해 흥분될 때 액체 속의 거품이 붕괴되면서 빛이 방출되는 것이다.

역사

음파발광효과는 1934년 쾰른 대학에서 ^[1]음파탐지기를 연구한 결과 처음 발견되었다.헤르만 프렌젤과 H. 슐테스는 초음파 변환기를 사진 현상액 탱크에 넣었다.그들은 개발 과정을 가속화하기를 희망했다.대신 현상 후 필름에 있는 작은 점들을 발견하고 초음파를 ^[2]켜면 액체 속의 기포가 빛을 방출한다는 것을 깨달았다.많은 수의 단수명 버블의 복잡한 환경 때문에 초기 실험에서는 효과를 분석하기가 너무 어려웠다.이 현상은 현재 MBSL(Multi-bubble Sonoluminesence)이라고 불립니다.

1960년, 런던 임페리얼 칼리지의 피터 자먼은 가장 신뢰할 수 있는 음향발광현상 이론을 제안했다.그는 소놀루미네센스는 기본적으로 열에서 비롯되며,^[3] 붕괴하는 공동이 있는 미세 충격에서 발생할 수 있다고 결론지었다.

1989년에 안정적인 단일 버블 소놀루미네센스(SBSL)^{[citation needed]}를 생성하는 실험적인 발전이 도입되었습니다.단일 기포음향발광에서는 음향 정재파에 포착된 단일 기포가 정재파 내에서 기포가 압축될 때마다 빛의 펄스를 방출한다.이 기술은 복잡한 효과를 안정적이고 예측 가능한 하나의 버블에 분리시켰기 때문에 현상에 대한 보다 체계적인 연구를 가능하게 했다.버블 내부의 온도는 2012년에 행해진 실험에서 보듯이 강철을 녹일 정도로 뜨거웠으며, 버블 내부의 온도는 약 12,000 켈빈에 ^[4]달했습니다.소음발광에 대한 관심은 그러한 거품의 내부 온도가 100만 켈빈을 훨씬 상회한다고 ^[5]가정했을 때 다시 나타났다.이 온도는 아직 결정적으로 입증되지 않았다. 오히려 최근 실험에서 온도가 약 20,000 K(19,700 °C; 35,500 °F)^[6]인 것으로 나타났다.

특성.

음향발광은 충분한 강도의 음파가 액체 내부의 가스 공동을 빠르게 붕괴시킬 때 발생할 수 있다.이 공동은 이미 존재하는 기포의 형태를 취하거나 캐비테이션으로 알려진 과정을 통해 생성될 수 있습니다.실험실의 음향발광을 안정적으로 만들어 하나의 기포가 주기적으로 팽창하고 붕괴하면서 붕괴할 때마다 폭발하는 빛을 방출할 수 있다.이를 위해 액체 내에 정음파를 설치하고 기포는 정음파의 압력반노드에 위치시킨다.공명의 빈도는 기포가 들어 있는 용기의 모양과 크기에 따라 달라집니다.

음향발광에 ^{[citation needed]}관한 몇 가지 사실:

• 거품에서 번쩍이는 빛은 35~수백 피코초 동안 지속되며 최대 강도는 1~10mW입니다.
• 기포는 주변 유체(예: 물)와 기포의 가스 함량(예: 대기 공기)에 따라 직경 약 1마이크로미터의 빛을 방출할 때 매우 작습니다.
• 단일 버블 음향 발광 펄스는 매우 안정적인 주기와 위치를 가질 수 있습니다.실제로 빛의 섬광 주파수는 음파를 구동하는 발진기의 정격 주파수 안정성보다 안정적일 수 있다.그러나 버블의 안정성 분석에 따르면 버블 자체는 예를 들어 비에르네스 힘 및 레일리-테일러 불안정성으로 인해 상당한 기하학적 불안정성을 겪고 있다.
• 기포 내의 가스에 소량의 귀가스(헬륨, 아르곤 또는 제논 등)를 추가하면 방출되는 빛의 강도가 증가합니다.

스펙트럼 측정 결과 2300K에서 5100K 사이의 거품 온도가 나왔으며, 이는 액체와 ^[7]가스의 구성을 포함한 실험 조건에 따라 정확한 온도를 나타낸다.스펙트럼법에 의한 매우 높은 기포온도의 검출은 매우 높은 온도의 단파장 빛에 대한 액체의 불투명성 때문에 제한된다.

한 연구는 플라스마의 형성에 기초하여 온도를 결정하는 방법을 설명한다.황산 속 아르곤 기포를 이용해 고에너지 들뜸 상태를₂⁺ 채우는 이온화 분자 산소 O, 일산화황, 원자 아르곤의 존재를 알 수 있어 기포가 뜨거운 플라즈마 ^[8]핵을 가지고 있다는 가설을 확인할 수 있다.이들이 관찰한 디옥시게닐 양이온의 이온화 및 들뜸 에너지는 18전자볼트이다.이를 통해 중심핵 온도는 최소 20,000 켈빈에^[6] 달하며 이는 태양 표면보다 더 뜨겁습니다.

레일리-플레셋 방정식

주요 기사:레일리-플레셋 방정식

기포 운동의 역학은 레일리-플레셋 방정식(레이리 경과 밀턴 플레셋의 이름을 따서 명명)에 의한 첫 번째 근사치로 특징지어진다.

${\ddot {R}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}{2}=sqfrac {1}{\rho}}}\left(P_{\infty})(t)-P_{0}(t)-4\mu {\frac {R}-{\frac {R}\frho } {\frc}$

이것은 Navier에서 도출된 대략적인 방정식입니다.–방정식(구면 좌표계로 작성)을 스토킹하고 버블 R의 반지름 운동을 시간 t의 함수로 설명합니다.단, μ는 $점도{\displaystyle {}_{}}$, $t)$는 기포로부터 무한히 떨어진 외압, $)$는 기포의 내압, $P0(t)$는 기포의 내압, ${displaystyle\rho}$는 액체밀도, θ는 표면장력이다.초과 도트는 시간 미분을 나타냅니다.이 방정식은 근사치이긴 하지만 붕괴의 마지막 단계를 제외하고 음향적으로 구동되는 장에서 기포의 움직임에 대한 좋은 추정치를 제공하는 것으로 나타났다.시뮬레이션과 실험 측정 모두 붕괴의 중요한 최종 단계에서 버블 벽 속도가 ^[9]버블 내부의 가스 음속을 초과한다는 것을 보여줍니다.따라서 내부에서 형성되는 충격파가 발생할 수 있는 추가적인 에너지 초점을 탐구하기 위해서는 레일리-플레셋을 넘어 기포 운동에 대한 보다 상세한 분석이 필요하다.정적 경우 레일리-플레스셋 방정식이 단순화되어 영-라플라스 방정식이 생성됩니다.

현상 메커니즘

음향발광 현상의 메커니즘은 알려져 있지 않다.가설에는 핫스팟, 브렘스스트룽 방사선, 충돌 유도 방사선 및 코로나 방전, 비전통적 빛, 양성자 터널링, 전기역학 제트 및 프랙톨루미네센스 제트(현재 반대 ^{[citation needed]}실험 증거로 인해 대부분 신뢰받지 못하고 있음)가 포함된다.

2002년에는 M. 브레너, S. 힐겐펠트, D.Lohse는 메커니즘에 ^[10]대한 자세한 설명을 포함한 60페이지 분량의 리뷰를 발행했다.중요한 요인은 기포가 아르곤이나 제논과 같은 불활성 귀가스(공기는 약 1%의 아르곤을 포함하고 있으며, 물에 녹는 양이 너무 많다. 소놀루미네센스가 발생하려면 농도가 평형값의 20~40%로 감소해야 한다.)와 다양한 양의 수증기를 포함하고 있다는 것이다.화학반응은 약 100번의 팽창-붕괴 주기 후에 기포에서 질소와 산소를 제거한다.그러면 거품이 빛을 ^[11]발하기 시작합니다.고도로 압축된 노블 가스의 발광은 아르곤 플래시 장치에서 기술적으로 이용됩니다.

버블 붕괴 중에는 주변 물의 관성이 고압과 고온을 일으켜 버블 내부에 약 10,000 켈빈에 달하며 존재하는 희가스의 소량의 이온화를 일으킨다.이온화된 양은 거품이 투명하게 남아있을 정도로 작기 때문에 체적 방출이 가능합니다. 표면 방출은 파장에 따라 더 긴 지속 시간 동안 더 강한 빛을 생성하며 실험 결과와 상반됩니다.이온화된 원자의 전자는 주로 중성 원자와 상호작용하여 열 제동 방사선을 일으킨다.파동이 낮은 에너지 수조에 도달하면 압력이 감소하여 전자가 원자와 재결합하고 자유 전자의 부족으로 인해 빛 방출이 멈춥니다.이는 아르곤의 경우 160피코초의 광펄스를 만든다(광자 에너지에 비해 이온화 에너지가 크기 때문에 온도가 조금만 떨어져도 이온화가 크게 감소한다).이 설명은 15마이크로초(확장)에서 100피코초(방출)까지의 다양한 지속시간을 상술한 위 문헌에서 간략하게 정리한 것입니다.

Computations는 이론은 검토에 제시한 주제에 근거하는 오류가 발생한 더 예상보다 약간의 단순화로 인해, 그래서 sonoluminesc의 현상이 된 듯하(예를 들어, 전체의 거품에 일정 온도로)더 큰 실험 results[표창 필요한]과 일치하는 방사선 매개 변수(대 파장 강도와 지속 시간)을 생산한다.ence은 적어도대략적인 설명이지만, 프로세스의 일부 세부 사항은 불분명합니다.

음향발광에 대한 논의는 반드시 준안정성에 대한 상세한 분석을 포함해야 한다.이 점에 있어서 소놀루미네센스는 물리적으로 유계현상이라고 불리는 것으로, 이는 소놀루미네센스가 기포에 대한 파라미터 공간의 유계영역에 존재한다는 것을 의미한다.결합자기장은 그러한 파라미터의 하나이다.음향발광의 자기적 측면은 매우 ^[12]잘 입증되어 있다.

기타 제안

양자 설명

많은 관심을 받아온 특이한 소음발광 가설은 저명한 물리학자 줄리안 슈윙거가^[13] 제안한 카시미르 에너지 가설이며 서식스 대학의 클라우디아 에버라인의^[14] 논문에서 더욱 철저하게 고려되었다.에버라인의 논문은 소놀루미네센스의 빛이 블랙홀의 사건 지평선에서 발생하는 방사선인 호킹 방사선과 유사한 과정에서 거품 내부의 진공에 의해 발생한다는 것을 시사한다.이 진공 에너지 설명에 따르면, 양자 이론에 따르면 진공은 가상 입자를 포함하고 있기 때문에, 물과 가스 사이의 빠르게 움직이는 계면은 가상 광자를 실제 광자로 변환한다.이것은 Unruh 효과 또는 Casimir 효과와 관련이 있습니다.다른 신뢰할 수 있는 정보원은 진공 에너지 설명이 ^[15]아직 ^[16]정확할 수 있다고 주장하지만, 음향발광은 너무 많은 양의 에너지를 방출하고 너무 짧은 시간에 에너지를 방출한다는 주장이 제기되어 왔다.

핵반응

일부에서는 위에서 설명한 레일리-플레셋 방정식이 버블 온도를 예측하는 데 신뢰할 수 없으며 소놀루미네싱 시스템의 실제 온도가 20,000 켈빈보다 훨씬 높을 수 있다고 주장합니다.일부 연구는 100,000 켈빈의 높은 온도를 측정했다고 주장하며, 온도가 수백만 켈빈에 이를 ^[17]수 있다고 추측한다.이렇게 높은 온도는 열핵융합을 일으킬 수 있다.이러한 가능성은 때때로 거품 핵융합이라고 불리며, 열핵 무기의 핵융합 성분에 사용되는 내폭 설계에 비유된다.

2006년 1월 27일, 렌셀라 폴리테크닉 인스티튜트의 연구진은 소놀루미네센스 실험에서 ^[18][19]핵융합 실험을 했다고 주장했다.

2002년과 2005년 중수소화 아세톤을 사용한 R. P. Talyarkhan의 실험에서 삼중수소와 중성자 출력의 측정치가 핵융합과 일치했다.그러나 이 논문들은 질이 낮다는 평가를 받았고 저자의 과학적 위법행위에 대한 보고서로 인해 의구심이 제기되었다.이로 인해 이 보고서는 과학계의 ^[20][21][22]신뢰를 잃게 되었다.

생물학적 음향발광

권총새우는 집게발을 빠르게 부러뜨려 붕괴하는 거품에서 일종의 캐비테이션 발광체를 만들어냅니다.이 동물은 특수 발톱을 닫아서 손톱에서 4cm 떨어진 곳에서 최대 80kPa의 음향 압력을 발생시키는 캐비테이션 버블을 생성합니다.버블이 손톱에서 뻗어나갈 때 버블은 시속 97km(60마일)의 속도에 도달하고 218데시벨에 이르는 소리를 냅니다.그 압력은 작은 물고기를 죽일 정도로 강하다.생성되는 빛은 일반적인 음향발광에 의해 생성된 빛보다 강도가 낮으며 육안으로는 보이지 않습니다.이 새우가 먹이를 기절시키거나 죽이기 위해 사용하는 급속히 붕괴되는 기포에 의해 생성되는 충격파이기 때문에 이 기포에 의해 생성되는 빛과 열은 직접적인 의미가 없을 수 있습니다.하지만, 이것은 이 효과로 빛을 내는 동물의 알려진 첫 번째 사례이며 ^[23]2001년 발견되었을 때 기발하게 "쉬림폴루미네센스"라고 불렸습니다.그 후 다른 갑각류 그룹인 사마귀새우는 충돌 ^[24]시 음파발광 캐비테이션 기포를 유도할 정도로 빠르고 힘차게 곤봉 같은 앞다리를 타격할 수 있는 종족을 포함하고 있다는 것이 밝혀졌다.실제 크기의 5배 크기로 3D 프린팅된 스내퍼 손톱이 있는 기계 장치도 비슷한 ^[25]방식으로 빛을 내는 것으로 보고되었으며, 이 생물학적 디자인은 알페우스 포모수스(Alpheus formosus)에서 떨어져 나온 스내퍼 손톱 몰트에 바탕을 두고 있습니다.^[26]

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레퍼런스

추가 정보

외부 링크

• 음향발광 실험에 대한 자세한 설명
• 효과와 실험에 대한 설명과 장치 다이어그램
• 버블 붕괴의 MPG 비디오(934kB)
• 2005-03-13년 웨이백 머신에 새우발광 아카이브 완료
• 임펄스 디바이스
• 음향 화학의 응용
• 음파 사이징 업 소놀루미네센스 2011-03-06 Wayback Machine 아카이브
• 음향 발광:빛으로 소리내다