أين يتحول الصوت؟.
على الأفعوانية ، ترتفع العربات ببطء في البداية ، وبمجرد وصولها إلى القمة ، تسقط في حالة سقوط حر ، وتتسارع على طول الطريق: يشعر ركابهم أولاً أنهم يسقطون ، ثم في الطريق إلى الأعلى ، يتم سحقهم مقعدهم. يشبه هذا الشعور الركوب على فقاعة متذبذبة من الهواء المحبوس في الماء ، إلا أنه خلال الخريف تكون السرعة أسرع من الصوت وفي نهاية السباق ستكون قوة التكسير تساوي 1000 مليار ضعف الوزن. لن يكفي أن يكون لديك معدة قوية. علاوة على ذلك ، تتفاعل الفقاعة مع القوى الكبيرة التي يتم تطبيقها عليها بإصدار شرارة تستمر لجزء من الثانية.
تتكون هذه الشرارة بشكل أساسي من الأشعة فوق البنفسجية ، مما يشير إلى أن الجزء الداخلي من الفقاعة ، في نهاية التكسير ، يكون أكثر سخونة من سطح الشمس. يمكن للموجات الصوتية أن تنفخ وتفرغ الفقاعات 30000 مرة في الثانية ، مما يجعلها تشع الضوء مع كل دورة صوتية بانتظام كبير.
خلال ظاهرة اللمعان الصوتي ، أي أثناء تحول الصوت إلى ضوء ، تركز الفقاعات 1000 مليار مرة من الطاقة الصوتية: الطول الموجي للموجة الصوتية التي تتأرجح الفقاعات يساوي بضعة سنتيمترات ، وينبعث الضوء من منطقة بحجم ذرات قليلة.
الشرارات قصيرة جدًا بحيث لا يمكن تحليلها إلا من خلال تقنيات الكشف فائقة السرعة ، مثل تلك المستخدمة في فيزياء الطاقة العالية. ومع ذلك ، فإن اللمعان الصوتي هو الطريقة الوحيدة المعروفة لإنتاج شرارات لا تدوم سوى بضع بيكو ثانية دون استخدام ليزر باهظ الثمن. حتى الآن ، أثارت دراسات اللمعان الصوتي أسئلة جديدة أكثر مما أجابت.
محاور متشكك
عندما سمعت لأول مرة عن اللمعان الصوتي في منتصف الثمانينيات ، كنت متشككًا. في الكافيتريا ، سخر زميلي توماس إيربر من اهتمامي بميكانيكا الموائع ، وعلى وجه الخصوص ، في معادلة نافيير-ستوكس ، التي تصف تدفق السوائل: “إذا كنت تعتقد أن معادلة نافييه-ستوكس ستوكس قوية جدًا ، من المحتمل أن تشرح لي كيف يمكن تحويل الصوت إلى ضوء. أجبته بأنني لا أؤمن بالإضاءة الصوتية ، لكنه أكد لي أن هذه الظاهرة قد تم تسليط الضوء عليها لبعض الوقت بالفعل.
مع Ritva Löfstedt ، قمت بعد ذلك ببحث ببليوغرافي. علمنا أنه في عشرينيات القرن الماضي ، لاحظ الكيميائيون الذين يستخدمون بواعث الموجات فوق الصوتية التي تم تطويرها خلال الحرب العالمية الأولى ظاهرة مثيرة للاهتمام: الحقول الصوتية المكثفة تحفز أحيانًا التفاعلات الكيميائية التي تحدث في محلول مائي. لاحظ راينهارد ميكي ، من جامعة هايدلبرغ ، أنه نظرًا لأن كمية الطاقة اللازمة لإجراء تفاعل كيميائي لها نفس الحجم المطلوب لإصدار الذرة ، فقد يكون من المثير للاهتمام البحث عن ضوء محتمل. انبعاث. بعد ذلك بوقت قصير ، في عام 1934 ، لاحظ H. أوضح فرينزل وشولتس اللمعان الصوتي من حيث Reibungselektrizität ، أو الكهرباء الساكنة: تسببت الموجة الصوتية في حدوث تجويف ، أي نمو وانهيار الفقاعات في الماء ، وهي حركة من شأنها ، مثل الأحذية الاحتكاكية على السجادة ، أن تنفصل عن الشحنات الكهربائية ؛ كان من الممكن أن تنبعث شرارات أثناء عملية التحييد اللاحقة. واختتموا مقالهم بالإشارة إلى أنه لم يكن لديهم الوقت الكافي لتكريس أنفسهم لدراسة هذه الآلية.
مع برادلي باربر ، أردنا وصف الآلية وتفسيرها في أصل اللمعان الصوتي. علمنا بعد ذلك أن فيليبي جايتان ولورنس كروم قد نجحا في محاصرة فقاعة مفردة متوهجة في مياه منزوعة الغاز جزئيًا ؛ لقد أوضحوا لنا كيفية ضبط أجهزتنا للحصول على اللمعان الصوتي لفقاعة واحدة. من ذلك الحين فصاعدًا ، باستخدام دورق زجاجي من معمل الكيمياء ، ومنظار الذبذبات ، وجهاز ستريو ، وأنبوب مضاعف ضوئي ، وعدد قليل من الملحقات الأخرى غير المكلفة ، يمكننا إجراء التجارب.
خلال أعمالنا الأولى ، قمنا بحقن فقاعات الهواء في الماء باستخدام حقنة. ثم قمنا تدريجياً بتحسين نظامنا. يتكون جهازنا الحالي من محول طاقة كهرضغطية يوضع فوق وعاء أسطواني مملوء بالماء. يقوم محول الطاقة بتحويل التيار المتردد إلى اهتزازات ميكانيكية ، مما يتسبب في انتشار الموجات الصوتية (الضغط والتوسع بالتناوب) عبر الماء. يُغمر المقاوم الكهربائي في الماء: عندما يمر تيار كهربائي من خلاله ، فإنه يسخن الماء ويخلق فقاعة بخار صغيرة. يدخل الهواء المذاب في الماء إلى هذا التجويف قبل أن يتكثف البخار تمامًا. وهكذا يتم احتجاز فقاعة هواء في وسط المفاعل ، لأن قوة أرخميدس التي تدفع الفقاعة لأعلى يتم تعويضها بالقوة الناتجة عن الموجات الصوتية. الموجات الصوتية بقوة تساوي حوالي 110 ديسيبل ضرورية لتوليد اللمعان الصوتي. هذه الشدة قابلة للمقارنة مع إنذار الحريق على بعد بضعة سنتيمترات ، لكن التردد الصوتي المستخدم يقع خارج النطاق المسموع.
لتوصيف اللمعان الصوتي ، أردنا أولاً دراسة التطور الزمني لهذه الظاهرة: إلى متى استمرت الشرارة؟ لقد فوجئنا عندما وجدنا أن مثل هذه الملاحظة تتطلب استخدام أسرع تقنيات الكشف عن الضوء. وهكذا قمنا بقياس الشرارات التي تدوم أقل من 50 بيكو ثانية (المليون من المليون من الثانية) التي تظهر بانتظام لا يُصدق: الوقت بين شرارتين متتاليتين هو 35 جزء من المليون من الثانية ، إلى أقل من 40 بيكو ثانية.
استكشاف الفقاعة المتذبذبة
من أجل تحديد نصف قطر الفقاعة المضيئة ، قام ب. باربر بإضاءةها بالليزر وقياس الضوء المتناثر. نظرًا لأن شدة الضوء المنتشر بواسطة جسم كروي تعتمد على مربع نصف قطر الجسم ، فإن الجذر التربيعي للإشارة المسجلة بواسطة المضاعف الضوئي يخبرنا بنصف قطر الفقاعات.
تشير القياسات إلى أن نصف قطر الفقاعات يساوي بضعة ميكرومتر حتى تتسبب الموجة الصوتية في التمدد. ثم يتسبب انخفاض الضغط في نمو الفقاعات حتى يصل نصف قطرها إلى حوالي 50 ميكرومترًا ، ويستمر التمدد حتى تتسبب الموجة الصوتية في الضغط مرة أخرى.
عندما يكون التمدد في أقصى حد ، يتم دفع الفراغ إلى الفقاعة ، لأن حجم التجويف قد زاد بشكل كبير ، بينما لم يتغير عدد الجزيئات في الفقاعة. نظرًا لأن الضغط الجوي يعمل على الفقاعة ، فإن فرق الضغط بين الداخل والخارج من التجويف يولد انهيارًا عنيفًا ، حيث ينخفض نصف قطر الفقاعة من 50 ميكرومترًا إلى 0.5 ميكرومتر. عند هذه النقطة ، يتوقف الانكماش فجأة ، كما لو كانت الفقاعة تصطدم بجدار: لا يمكنها الانضغاط أكثر بسبب قوى التنافر بين الذرات وجزيئات الغاز الموجودة بداخلها (يتم التحكم في أبعاد الفقاعة بعد ذلك بواسطة الشاحنة). قوى التنافر دير فال).
تظهر الشرارة عندما تقل سرعة الانفجار الداخلي للفقاعة ويكون نصف القطر عند أدنى حد (انظر الشكل 2). بعد انبعاث الضوء ، يرتد جدار الفقاعة عدة مرات قبل الدورة الصوتية التالية.
على الرغم من أننا نعرف كيفية قياس حجم التجويف ، فلا توجد نظرية تشرح بشكل صحيح الاختلافات في نصف القطر. يعتمد حجم الفقاعة على كمية الغاز التي تحتوي عليها. ندرس أنا و R. Löfstedt الآلية التي ينتشر بها الغاز المذاب في الماء إلى الفقاعة. عندما تكون الفقاعة كبيرة ، يكون الضغط فيها منخفضًا ، مما يتسبب في دخول الغاز من السائل. من ناحية أخرى ، عندما يتم ضغط الفقاعة ، يحدث التأثير المعاكس. يحدد تناوب هذين النزوح المادي حجم الفقاعات.
يبدو أن هذا الوصف ينطبق على المجالات الصوتية منخفضة الكثافة ، ولكن ليس على الحقول المكثفة التي تؤدي إلى اللمعان الصوتي (انظر الشكل 3).
من الناحية النظرية ، يجب أن يزيد متوسط نصف قطر الفقاعات بانتظام مع شدة الصوت ، ولكن في الممارسة العملية ، فإن التباين في حجم الفقاعات وفقًا لشدة الصوت يمثل انقطاعًا مع ظهور اللمعان الصوتي ، حيث يتناقص متوسط نصف القطر بشكل حاد . بعد تجاوز نقطة الانقطاع هذه ، يزداد متوسط نصف القطر مرة أخرى مع كثافة الصوت. وبالتالي ، فإن آلية نقل جماعي أخرى (لا تزال غير معروفة) تحدد شروط ظهور الإشعاع الضوئي.
إن الزيادة في درجة الحرارة في فقاعة تنفجر من الداخل هي ظاهرة مماثلة لتلك التي شهدها سافوياردز: يكون الطقس حارًا عندما تهب الرياح من ارتفاعات عالية إلى ارتفاعات منخفضة ، لأن الضغط يزداد على ارتفاعات منخفضة.
أثناء انهيار الفقاعات ، يتم دفع هذه الظاهرة إلى أقصى الحدود ، لأن الحجم يتناقص بمعامل يصل إلى مليون (ينخفض نصف القطر بمعامل 100). في الخمسينيات من القرن الماضي ، حسب بي نولتينجك وإي.نيبراس ، من مختبرات مولارد للأبحاث ، في بريطانيا العظمى ، أن الضغط الثابت للحرارة للفقاعة (بدون التبادل الحراري مع الخارج) يولد زيادة في درجة الحرارة بمقدار 10000 كلفن وزيادة الضغط. أكبر من 10000 من الغلاف الجوي (لا يتبخر سطح الفقاعة ، ويفترض أن الزيادات في الضغط ودرجة الحرارة تحدث في وسط التجويف).
كيف يولد التسخين الضوء؟ وفقًا للفيزيائيين والكيميائيين الذين درسوا اللمعان الصوتي والكيمياء الصوتية ، فإن الطاقة الناتجة عن الانفجار الداخلي كافية لفصل الجزيئات في التجويف: هذه الجزيئات المنفصلة تبعث الضوء أثناء إعادة الاتحاد. تم ذكر هذا التأثير الكيميائي لأول مرة في عام 1952 ؛ استخدمه الكيميائيون لإثارة بعض التفاعلات الكيميائية غير العادية ، مثل إنتاج الحديد غير المتبلور بواسطة كينيث سوسليك من جامعة إلينوي.
اضافة الغازات النبيلة
على الرغم من صعوبة تفسير ظاهرة اللمعان ، إلا أنها سهلة التنفيذ. ومن ثم يلاحظ أنه حساس لعدة عوامل مثل شدة الصوت ودرجة حرارة الماء. وهكذا تزداد كمية الضوء المنبعث عند كل شرارة بمعامل 200 عندما تنخفض درجة الحرارة من 35 إلى 0 …
هل كان المقال مفيداً؟شاركه مع أصدقائك ولا تنسى لايك والتعليق
اترك تعليقاً