Ovviamente i festeggiamenti non finiscono qui e sentirete ancora parlare di Wikipedia e dei suoi 10 splendidi anni. Per intanto leggete! Per sonoluminescenza si intende un processo 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 Trenta del XX secolo, solo dal 1988 si iniziò a studiarlo con ricerche mirate.
La storia
La parola sonoluminescenza vuol dire luce dal suono ed è derivata dal latino sonus, 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 (Action des ultrasons sur les plaques photographiques) 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 (Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser). I due studiosi cercarono di spiegare il fenomeno da loro osservato suggerendo che fosse un fenomeno elettrico causato dal moto delle bolle: detto questo decisero di lasciar 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 1988/89 Felipe Gaitan e Lawrence Crum riuscirono a riprodurre le condizioni richieste per ottenere la sonoluminescenza da una bolla singola, SLBS, a partire dai lavori di Hugh Guthrie Flynn(1): il loro lavoro culminò nella pubblicazione di Sonoluminescence and bubble dynamics for a single, stable, cavitation bubble nel 1990.
SLBS è un fenomeno 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 (Sonoluminescence: Sound into light). 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.
Strumentazione per la sonoluminescenza
Le teorie
Per spiegare la sonoluminescenza ci sono diverse teorie. In questa sede andremo ad esaminare:
- l'onda di shock;
- la formazione di jet;
- la solidificazione ad alte pressioni;
- l'emissione indotta da collisione;
- la scintillazione dei gas;
- la radiazione di vuoto quantistica.
L'onda shock(2)
Questa teoria fu proposta per la prima volta da Seth Putterman. 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 $10^{11}g$, 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 $10^{12}$ e avviene l'emissione di luce. Secondo tale teoria, la luce osservata potrebbe essere prodotta da due distinti meccanismi:
- le alte temperature causate dal riscaldamento adiabatico della bolla provocano formazione di plasma, e la ricombinazione delle molecole provoca l'emissione luminosa. Questa spiegazione, però, è molto improbabile, poiché le transizioni atomiche sono troppo lente per spiegare la brevità del lampo di sonoluminescenza. Inoltre recenti ricerche (riassunte da Phillip F. Schewe e Ben Stein nel 1998) hanno stabilito che l'intero spettro brilla per il medesimo intervallo di tempo. Questo modello, infine, si aspetta che a brillare per primi siano i colori rossi, e quindi via via gli altri ad energia superiore.
- Un'altra possibilità proposta è che le alte temperature provocano la produzione di un plasma relativamente freddo che emette luce da Bremsstrahlung, un processo che, a causa delle collisioni tra elettroni, produce uno spettro molto vasto. Questa spiegazione sembra correlarsi con lo spettro trovato.
Vedi ad esempio: A star in a jar | Inferno in a bubble
Formazione di jet
Sonoluminescenza
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.
Solidificazione ad alte pressioni
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.
Vedi ad esempio: Collapse and Rebound of a Spherical Bubble in Water, di Hickling insieme con Milton S. Plesset.
Emissione indotta da collisione
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 \[I (\omega; T) = \frac{4 \omega^4}{3 c^3} N_L^2 \rho_1 \rho_2 V g_e (\omega; T)\] dove $\omega$ è la frequenza angolare, $T$ la temperatura, $\rho_1$ e $\rho_2$ le densità dei due gas, $c$ la velocità del suono, $N_L$ il numero di Loschmidt, $V$ il volume della bolla, $g_e$ la densità spettrale.
Frommhold, L., & Atchley, A. (1994). Is Sonoluminescence due to Collision-Induced Emission? Physical Review Letters, 73 (21), 2883-2886 DOI: 10.1103/PhysRevLett.73.2883
Scintillazione dei gas
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.
Sonoluminescenza: grafico dei risultati sperimentali
Radiazione di vuoto quantistica
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 $10^{11}g$ 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: \[P \, (\omega) = 1.16 \frac{(n^2-1)^2}{16 \pi^2 n^2} \frac{\hbar}{c^4} \frac{(\Delta R^2)^2}{\gamma} \omega^3 \text{e}^{-2 \gamma \omega}\] Questo risultato ha una grande importanza, poiché mostra che lo spettro della luce emessa assomiglia allo spettro di un corpo nero.
Un'altra quantità molto importante è l'energia $W$ irradiata durante un ciclo acustico: \[W = \frac{n^2 - 1}{n^2} \frac{\hbar}{580 \pi c^3} \int_0^T \text{d} \tau \frac{\partial^5 R^2 (\tau)}{\partial \tau^5} R (\tau) \beta (\tau)\] ottenuta nel limite di corte lunghezze d'onda.
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.
Eberlein, C. (1996). Sonoluminescence as Quantum Vacuum Radiation Physical Review Letters, 76 (20), 3842-3845 DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.3842
(1) Grazie a Sensitivity of sonoluminescence to experimental parameters, ho scoperto che già nel 1965 Flynn, insieme con Anthony Eller, si occupò di sonoluminescenza, come si può leggere in Rectified Diffusion during Nonlinear Pulsations of Cavitation Bubbles. Sono poi riuscito a scovare questo Physics of Acoustic Cavitation (A) del 1959. Da Investigating Sonoluminescence as a Source of Alternative Energy, presentazione di John D. Wrbanek, Gustave C. Fralick, Susan Y. Wrbanek del NASA Glenn Research Center a Cleveland, Ohio, si legge che nel 1982 Flynn propose una patente per un reattore a fusione basato sulla cavitazione.
Riguardo Gaitan e Crum, la fonte è What is sonoluminescence?
(2) Molto probabilmente fu proposta da Putterman così come egli la descrisse. Approfondendo in questi giorni di riassemblaggio, ho constatato che si trovano altri due lavori, degli anni Novanta, relativi all'onda shock: Shock-wave propagation in a sonoluminescing gas bubble di Wu e Roberts; On sonoluminescence of an oscillating gas bubble di Greenspan. Entrambi gli articoli sono del 1993 e in Variations in Sonoluminescence Flash Timing di Thomas Edward Brennan sono indicati come i primi contributi al modello discusso nel paragrafo.
Note sui riusi della pagina wikipediana:
Cercando nuovi spunti, riferimenti bibliografici più dettagliati, ho scoperto che Videomisteri propone l'introduzione dell'attuale articolo wikipediano (non molto differente da quello che avevo scritto alcuni anni fa), senza accreditarlo nemmeno alla Wiki; Nexus propone, nella bibliografia, un link che rimanda a encyclopedia.it, che riprende pari pari la voce originaria con un link che rimanda a quella della Wiki posto in fondo alla pagina.
Infine Andrea Rampado sembra commettere il mio stesso errore riguardo Flynn, assegnandogli un contributo teorico, quando invece era sperimentale: osservando la sua bibliografia, si nota come abbia preso come riferimento l'articolo di encyclopedia, che presenta un probabile mio errore di ricostruzione delle fonti (al momento mi è impossibile ritrovare le fonti originarie di quella parte dell'articolo).
Nessun commento:
Posta un commento