Bugün öğrendim ki: Bir sıvı içerisinde patlayan bir baloncuğun sesle uyarıldığında ışık parlaması üretebildiği bu sürece Sonolüminesans adı veriliyor, ancak şu anda etkinin nasıl yaratıldığı konusunda bir fikir birliği yok.
Çöken, sesle indüklenen kabarcıklardan ışık emisyonu
Sonolüminesans, sesle uyarıldığında bir sıvı içindeki içe çöken kabarcıklardan ışık emisyonudur.
Sonolüminesans ilk olarak 1934 yılında Köln Üniversitesi'nde keşfedilmiştir. Yeterli yoğunlukta bir ses dalgası, bir sıvı içindeki gazlı boşluğun hızla çökmesine ve bir ışık patlaması yaymasına neden olduğunda meydana gelir. Bu olgu, kararlı tek-kabarcık sonolüminesansında (SBSL) ve çok-kabarcık sonolüminesansında (MBSL) gözlemlenebilir. 1960 yılında Peter Jarman, sonolüminesansın termal kökenli olduğunu ve çöken boşluklar içindeki mikro şoklardan kaynaklanabileceğini öne sürdü. Daha sonraki deneyler, SBSL sırasında kabarcığın içindeki sıcaklığın 12.000 kelvine (11.700 °C; 21.100 °F) kadar ulaşabileceğini ortaya koydu. Sonolüminesansın ardındaki kesin mekanizma bilinmemektedir; sıcak nokta, frenleme radyasyonu ve çarpışma indüklenmiş radyasyon dahil olmak üzere çeşitli hipotezler mevcuttur. Bazı araştırmacılar, sonolüminesans sistemlerindeki sıcaklıkların milyonlarca kelvine ulaşabileceğini ve potansiyel olarak termonükleer füzyona neden olabileceğini bile öne sürdüler; ancak bu fikir diğer araştırmacılar tarafından şüpheyle karşılandı.[1] Bu olgu doğada da gözlemlenmiş olup, tabancası karidesi, sonolüminesans yoluyla ışık üreten ilk bilinen hayvan örneğidir.[2]
Tarih
[düzenle]
Sonolüminesans etkisi, ilk olarak 1934 yılında Köln Üniversitesi'nde sonar üzerine yapılan çalışmalar sonucu keşfedildi.[3] Hermann Frenzel ve H. Schultes, bir ultrason dönüştürücüsünü bir fotoğraf geliştirme sıvısı tankına yerleştirdiler. Geliştirme işlemini hızlandırmayı umuyorlardı. Bunun yerine, geliştirme işleminden sonra filmde küçük noktalar fark ettiler ve sıvıdaki kabarcıkların ultrason açıkken ışık yaydığını fark ettiler.[4] Çok sayıda kısa ömürlü kabarcığın karmaşık ortamı nedeniyle erken deneylerde bu etkiyi analiz etmek çok zordu. Bu olgu artık çok-kabarcık sonolüminesans (MBSL) olarak adlandırılmaktadır.
1960 yılında, Londra Imperial College'dan Peter Jarman, sonolüminesans olgusunun en güvenilir teorisini öne sürdü. Sonolüminesansın temelde termal kökenli olduğunu ve muhtemelen çöken boşluklarla mikro şoklardan kaynaklanabileceğini sonucuna vardı.[5]
1990 yılında, Gaitan ve Crum tarafından kararlı tek-kabarcık sonolüminesansının (SBSL) üretildiği deneysel bir gelişme bildirildi.[6] SBSL'de, akustik bir duran dalga içinde sıkışmış tek bir kabarcık, duran dalga içindeki kabarcığın her sıkıştırılmasında bir ışık atımı yayar. Bu teknik, karmaşık etkileri tek bir kararlı, tahmin edilebilir kabarcıkta izole ettiği için olgunun daha sistematik bir şekilde incelenmesini sağladı. 2012 yılında yapılan bir deneyde görüldüğü gibi, kabarcığın içindeki sıcaklığın çeliği eritecek kadar yüksek olduğu anlaşıldı; kabarcık çökerken içindeki sıcaklık yaklaşık 12.000 K'ye (11.700 °C; 21.100 °F) ulaştı.[7] Böyle bir kabarcığın iç sıcaklığının 1 MK'nın (999.727 °C; 1.799.540 °F) çok üzerinde olduğu varsayıldığında sonolüminesansa olan ilgi yeniden canlandı.[8] Bu sıcaklık henüz kesin olarak kanıtlanmamıştır; aksine, son deneyler yaklaşık 20.000 K (19.700 °C; 35.500 °F) sıcaklıklar göstermektedir.[9]
Özellikler
[düzenle]
Yeterli yoğunlukta bir ses dalgası, bir sıvı içindeki gazlı boşluğun hızla çökmesine neden olduğunda sonolüminesans meydana gelebilir. Bu boşluk önceden var olan bir kabarcık şeklinde olabilir veya kavitasyon olarak bilinen bir süreçle üretilebilir. Laboratuvarda sonolüminesans, tek bir kabarcığın periyodik bir şekilde tekrar tekrar genişleyip çökmesi ve her çöktüğünde bir ışık patlaması yayması için kararlı hale getirilebilir. Bunun gerçekleşmesi için, bir sıvı içinde duran bir akustik dalga kurulur ve kabarcık duran dalganın basınç antinodunda bulunur. Rezonans frekansları, kabarcığın bulunduğu kabın şekline ve boyutuna bağlıdır.
Sonolüminesans hakkında bazı gerçekler:[alıntı gerekli]
Kabarcıklardan çıkan flaş ışığın süresi 35 ile birkaç yüz pikosaniye arasında değişir ve tepe yoğunlukları 1–10 megavat (1.300–13.400 hp) mertebesindedir.
Kabarcıklar ışık yaydığında çok küçüktür - çevreleyen sıvıya (örneğin, su) ve kabarcığın gaz içeriğine (örneğin, atmosferik hava) bağlı olarak yaklaşık 1 mikrometre (3.9×10−5 inç) çapındadır.
SBSL atımları çok kararlı periyotlara ve konumlara sahip olabilir. Aslında, ışık flaşlarının frekansı, onları çalıştıran ses dalgalarını üreten osilatörün nominal frekans kararlılığından daha kararlı olabilir. Bununla birlikte, kabarcığın kararlılık analizleri, kabarcığın kendisinin örneğin Bjerknes kuvvetleri ve Rayleigh–Taylor kararsızlıkları nedeniyle önemli geometrik kararsızlıklar geçirdiğini göstermektedir.
Kabarcıklara az miktarda soy gaz (helyum, argon veya ksenon gibi) eklenmesi, yayılan ışığın yoğunluğunu artırır.[10]
Spektral ölçümler, sıvının ve gazın bileşimi dahil olmak üzere deneysel koşullara bağlı olarak 2.300 ila 5.100 K (2.030 ila 4.830 °C; 3.680 ila 8.720 °F) aralığında kabarcık sıcaklıkları vermiştir.[11] Çok yüksek sıcaklıkların karakteristiği olan kısa dalga boylu ışığa karşı sıvıların opaklığı nedeniyle spektral yöntemlerle çok yüksek kabarcık sıcaklıklarının tespiti sınırlıdır.
Bir çalışma, plazma oluşumuna dayalı sıcaklık belirleme yöntemini açıklamaktadır. Sülfürik asitte argon kabarcıkları kullanılarak elde edilen veriler, yüksek enerjili uyarılmış halleri dolduran iyonize moleküler oksijen O+2, sülfür monoksit ve atomik argonun varlığını göstermektedir; bu da kabarcıkların sıcak bir plazma çekirdeğine sahip olduğu hipotezini doğrulamaktadır.[12] Gözlemledikleri dioksijenil katyonlarının iyonlaşma ve uyarılma enerjisi 18 elektronvolt (2.9×10−18 J)'dür. Bu gözlemden, çekirdek sıcaklıklarının en az 20.000 K'ye (19.700 °C; 35.500 °F)[9] ulaştığı sonucuna varmışlardır - bu, güneşin yüzeyinden daha sıcaktır.
Rayleigh–Plesset denklemi
[düzenle]
Ana madde: Rayleigh–Plesset denklemi
Kabarcığın hareket dinamiği, birinci yaklaşımda Rayleigh–Plesset denklemi (Lord Rayleigh ve Milton Plesset'in adını taşıyan) ile karakterize edilir:
R R ¨ + 3 2 R ˙ 2 = 1 ρ ( P ∞ ( t ) − P 0 ( t ) − 4 μ R ˙ R − 2 γ R ) {\displaystyle R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}^{2}={\frac {1}{\rho }}\left(P_{\infty }(t)-P_{0}(t)-4\mu {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)}
Bu, Navier-Stokes denklemlerinden (küresel koordinat sisteminde yazılmış) türetilen ve kabarcığın yarıçapının R hareketini zaman t fonksiyonu olarak tanımlayan yaklaşık bir denklemdir. Burada, μ viskozite, P ∞ ( t ) {\displaystyle P_{\infty }(t)} kabarcıktan sonsuzda uzaktaki dış basınç, P 0 ( t ) {\displaystyle P_{0}(t)} kabarcığın iç basıncı, ρ {\displaystyle \rho } sıvı yoğunluğu ve γ yüzey gerilimidir. Üst noktalar zaman türevlerini temsil eder. Bu denklem, yaklaşık olmasına rağmen, özellikle çökmenin son aşamaları dışında akustik olarak tahrik edilen alanda kabarcığın hareketine iyi tahminler verdiği gösterilmiştir. Hem simülasyon hem de deneysel ölçüm, çökmenin kritik son aşamalarında kabarcık duvar hızının kabarcığın içindeki ses hızını aştığını göstermektedir.[13] Bu nedenle, içeriden oluşan bir şok dalgasının üretebileceği ek enerji odaklanmasını araştırmak için Rayleigh-Plesset'in ötesinde kabarcığın hareketinin daha ayrıntılı bir analizi gereklidir. Statik durumda, Rayleigh-Plesset denklemi basitleşir ve Young-Laplace denklemini verir.
Olayın mekanizması
[düzenle]
Ana madde: Sonolüminesans mekanizması
Sonolüminesans olgusunun mekanizması bilinmemektedir. Hipotezler arasında: sıcak nokta, frenleme radyasyonu, çarpışma indüklenmiş radyasyon ve korona deşarjları, klasik olmayan ışık, proton tünellemesi, elektrodinamik jetler ve frakto lüminesans jetler (şimdi büyük ölçüde ters deneysel kanıtlar nedeniyle itibarsızlaştırılmıştır) yer almaktadır.[alıntı gerekli]
2002 yılında, M. Brenner, S. Hilgenfeldt ve D. Lohse, mekanizmanın ayrıntılı bir açıklamasını içeren 60 sayfalık bir inceleme yayınladı.[14] Önemli bir faktör, kabarcığın çoğunlukla argon veya ksenon gibi inert soy gaz içermesidir (hava yaklaşık %1 argon içerir ve suda çözünen miktar çok fazladır; sonolüminesansın gerçekleşmesi için konsantrasyon, denge değerinin %20–40'ına düşürülmelidir) ve değişen miktarlarda su buharı. Kimyasal reaksiyonlar, yaklaşık yüz genleşme-çökme döngüsünden sonra nitrojeni ve oksijeni kabarcıktan uzaklaştırır. Kabarcık daha sonra ışık yaymaya başlar.[15] Yüksek oranda sıkıştırılmış soy gazın ışık emisyonu, argon flaş cihazlarında teknolojik olarak kullanılmaktadır.
Kabarcık çökmesi sırasında, çevredeki suyun ataleti, kabarcığın iç kısmında yaklaşık 10.000 kelvine ulaşan yüksek basınç ve yüksek sıcaklığa neden olarak mevcut soy gazın küçük bir bölümünün iyonlaşmasına neden olur. İyonize olan miktar, kabarcığın şeffaf kalması için yeterince küçüktür ve hacim emisyonuna izin verir; yüzey emisyonu, dalga boyuna bağlı olarak daha uzun süreli daha yoğun ışık üretir ve deneysel sonuçlarla çelişir. İyonize atomlardan gelen elektronlar esas olarak nötr atomlarla etkileşime girer ve termal frenleme radyasyonuna neden olur. Dalga düşük enerjili bir çukura çarptığında basınç düşer ve elektronların atomlarla yeniden birleşmesine ve bu serbest elektron eksikliği nedeniyle ışık emisyonunun durmasına izin verir. Bu, argon için 160 pikosaniyelik bir ışık darbesi sağlar (sıcaklıkta küçük bir düşüş bile, foton enerjisine göre büyük iyonlaşma enerjisi nedeniyle iyonlaşmada büyük bir düşüşe neden olur). Bu açıklama, yukarıdaki literatürden basitleştirilmiştir; bu, 15 mikro saniye (genleşme) ile 100 pikosaniye (emisyon) arasında değişen farklı sürelerin çeşitli aşamalarını ayrıntılarıyla açıklamaktadır.
Yukarıdaki incelemede sunulan teoriye dayalı hesaplamalar, deneysel sonuçlarla[alıntı gerekli] uyuşan radyasyon parametreleri (yoğunluk ve süre zamanı vs. dalga boyu) üretir; bazı basitleştirmeler nedeniyle beklenenden daha büyük olmayan hatalarla (örneğin, tüm kabarcıkta üniform bir sıcaklık varsayarak), bu nedenle sonolüminesans olgusunun en azından kabaca açıklandığı görülüyor, ancak sürecin bazı ayrıntıları belirsiz kalıyor.
Sonolüminesans hakkındaki herhangi bir tartışma, metastabilitenin ayrıntılı bir analizini içermelidir. Bu açıdan sonolüminesans, fiziksel olarak sınırlı bir olgu anlamına gelir; yani sonolüminesans, kabarcık için parametre uzayının sınırlı bir bölgesinde var olur; birleşik bir manyetik alan böyle bir parametredir. Sonolüminesansın manyetik yönleri çok iyi belgelenmiştir.[16]
Diğer öneriler
[düzenle]
Kuantum açıklamaları
[düzenle]
Çok fazla popüler ilgi gören, sonolüminesansın alışılmadık derecede egzotik bir hipotezi, ünlü fizikçi Julian Schwinger tarafından önerilen[17] ve Sussex Üniversitesi'nden Claudia Eberlein tarafından daha ayrıntılı olarak ele alınan[18] Casimir enerjisi hipotezidir. Eberlein'in makalesi, sonolüminesanstaki ışığın, kara deliklerin olay ufuklarında üretilen radyasyon olan Hawking radyasyonuna benzer bir süreçte kabarcığın içindeki vakum tarafından üretildiğini öne sürüyor. Bu vakum enerjisi açıklamasına göre, kuantum teorisi vakumun sanal parçacıklar içerdiğini savunduğundan, su ve gaz arasındaki hızla hareket eden arabirim sanal fotonları gerçek fotonlara dönüştürür. Bu, Unruh etkisi veya Casimir etkisiyle ilgilidir. Vakum enerjisi açıklamasıyla uyumlu olmak için sonolüminesansın çok fazla enerji saldığı ve enerjiyi çok kısa bir zaman ölçeğinde saldığı yönünde bir argüman öne sürülmüştür,[19] ancak diğer güvenilir kaynaklar vakum enerjisi açıklamasının yine de doğru olduğunu kanıtlayabileceğini savunmaktadır.[20]
Nükleer reaksiyonlar
[düzenle]
Ana madde: Kabarcık füzyonu
Bazıları, yukarıda açıklanan Rayleigh–Plesset denkleminin kabarcık sıcaklıklarını tahmin etmede güvenilmez olduğunu ve sonolüminesans sistemlerindeki gerçek sıcaklıkların 20.000 kelvinden çok daha yüksek olabileceğini savundu. Bazı araştırmalar, 100.000 kelvine kadar sıcaklıklar ölçtüğünü ve sıcaklıkların milyonlarca kelvine ulaşabileceğini tahmin etmektedir.[21] Bu kadar yüksek sıcaklıklar termonükleer füzyona neden olabilir. Bu olasılığa bazen kabarcık füzyonu denir ve termonükleer silahların füzyon bileşeninde kullanılan implosyon tasarımına benzetilir.
R. P. Taleyarkhan tarafından 2002 ve 2005 yıllarında döteryumlanmış aseton kullanılarak yapılan deneyler, füzyonla tutarlı trityum ve nötron çıktısının ölçümlerini göstermiştir. Bununla birlikte, makaleler düşük kaliteli kabul edildi ve yazarın bilimsel suistimali hakkında bir rapor yayınlandı. Bu, raporun bilim camiasındaki güvenilirliğini kaybetmesine neden oldu.[22][23][24]
27 Ocak 2006'da, Rensselaer Politeknik Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, sonolüminesans deneylerinde füzyon ürettiklerini iddia ettiler.[25][26]
Biyolojik sonolüminesans
[düzenle]
Tabancası karidesler (çıtlayan karidesler olarak da adlandırılır), pençesini hızla çırparak oluşturduğu çöken bir kabarcıktan bir tür kavitasyon lüminesansı üretir. Hayvan, pençesinin özel olarak tasarlanmış bir kısmını kapatarak, pençenin 4 cm uzağında 80 kPa'ya kadar akustik basınçlar üreten bir kavitasyon kabarcığı oluşturur. Pençeden dışarı uzandığında, kabarcık saatte 97 km hıza ulaşır ve 218 desibel'e ulaşan bir ses yayar. Basınç, küçük balıkları öldürmek için yeterince güçlüdür. Üretilen ışık, tipik sonolüminesans tarafından üretilen ışıktan daha düşük yoğunluktadır ve çıplak gözle görülemez. Kabarcık tarafından üretilen ışık ve ısı, doğrudan bir öneme sahip olmayabilir, çünkü bu karideslerin avlarını sersemletmek veya öldürmek için kullandıkları şok dalgası hızla çöken kabarcık tarafından üretilir. Bununla birlikte, bu etkiyle ışık üreten ilk bilinen hayvan örneğidir ve 2001'deki keşfinde esprili bir şekilde "karidesolüminesans" olarak adlandırılmıştır.[27] Daha sonra, bir başka kabuklu türü olan mantis karideslerinin, kulüp benzeri ön ayakları o kadar hızlı ve güçlü bir şekilde vurabilen türler içerdiği keşfedilmiştir ki, darbe üzerine sonolüminesans kavitasyon kabarcıkları indükler.[2]
Gerçek boyutunun beş katı büyüklüğünde 3B yazdırılmış çıtlayan pençe içeren mekanik bir cihazın da benzer şekilde ışık yaydığı bildirilmiştir,[28] bu biyolojik olarak ilham alınmış tasarım, çizgili çıtlayan karides olan Alpheus formosus'tan alınan bir çıtlayan karides pençesi erimesine dayanmaktadır.[29]
Ayrıca bakınız
[düzenle]
Işık kaynakları listesi
Seth Putterman
Sonokimya
Tribolüminesans
Kaynaklar
[düzenle]
Daha fazla okuma
[düzenle]