Doc1

7/16/2019 Doc1

http://slidepdf.com/reader/full/doc155cf9dd5550346d033af6f34 1/18

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI Facultatea de Energetică

1

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE ENERGETICĂ

Sonoluminiscenta

Coordonator științific Realizatori

S. l. dr. ing. Georgiana DUNCA Bianca IOSIF

Gina LEFEGIU

Irina VLAD

2013

7/16/2019 Doc1



2

CUPRINS

ABSTRACT

I. INTRODUCERE IN NOTIUNILE FIZICE FOLOSITE

1. Vaporizare2. Cavitatie

3. Sunet

4. Unda sonora

5. Ultrasunet

II. MECANISMUL FENOMENULUI DE SONOLUMINISCENTA

1. Sonocavitatie

2. Sonoluminiscenta – cursa cu un roller coaster

3. Experimentul lui Putterman

III. INTERIORUL BULELOR CAVITATIONALE SONOLUMINESCENTE

1. Temperatura interioara a bulelor cavitationale

2. Unde de soc in bule

3. Modificarea parametrilor experimentului

IV. SONOLUMINISCENTA SI REACTIA DE FUZIUNE ,,LA RECE”

V. SONOLUMINISCENTA IN NATURA

CONCLUZII SI CONTRIBUTII PERSONALE

BIBLIOGRAFIE

7/16/2019 Doc1



3

LISTA ABREVIERILOR UTILIZATE

K- Kelvin;

nm- nanometru;

μm- micron;

kPa- kilo Pascal;

ms- milisecunda;

D- deuteriu;

T- tritiu;

He- heliu;

MeV- mega electron volt

m- metru

H- hidrogen

s- secunda

γ- radiatie Gamma

7/16/2019 Doc1



4

ABSTRACT

Este bineştiut faptul că în zilele noastre energia este esenţială pentru supravieţuirea societății

aşa cum o ştim cu toţii. De asemenea, cu toţii suntem conştienţi de faptul că resursele de energie

folosite în prezent nu sunt inepuizabile şi că este posibil ca în viitorul nu foarte îndepartat aceste resurse

să se sfârşească. Această lucrarea are scopul de a arăta faptul că energie se poate obţine din absolutorice ne înconjoară şi ca inepuizabil ar putea să fie cuvântul de ordine atunci când se vorbeşte despre

energia pusă la dispoziţie omenirii.

Lucrarea incepe cu o introducere in notiunile fizice legate de fenomenul de sonocavitatie si

sonoluminiscenta. Apoi, am discutat despre modalitatile de realizare ale acestui experiment. Am

prezentat mai multe analogii intre fenomenul de sonoluminiscenta si alte fenomene mai cunoscute,

pentru a oferi cititorului sansa de a intelege cat mai bine ceea ce am explicat in lucrare.

Mai mult decat atat, am indicat conditiile din interiorul bulelor sonoluminiscente, care sunt

foarte apropiate de cele necesare pentru producerea reactiei de fuziune nucleara. Am dezbatut de

asemenea importanta sonoluminiscentei in domeniul stiintific, si am aratat cum unii oameni de stiinta

care s-au ocupat cu studiul acesteia si au vrut sa faca publice descoperirile, au fost discreditati si chiar

concediati. Nu in ultimul rand am prezentat reactia de sonoluminiscenta asa cum are ea loc in natura in

cazul anumitor vietati.

Ca în orice domeniu de mare interes mondial, secretele energeticii viitorului sunt bine păzite

de fiecare ţară în parte, cu toate că aparent acestea colaborează între ele pentru a da rezultate cât mai

repede. Din acest motiv informaţiile apărute în presă sau în publicaţiile de specialitate prezintă noile

descoperiri foarte vag, câteodată oficialii nementionand nici măcar jumătate din lucrurile aflate de

oamenii de ştiinţă. Astfel, este posibil ca cercetările din acest domeniu, să fie la momentul de fată mult

mai avansate decât sunt prezentate în acesta lucrare.

7/16/2019 Doc1



5

I. Introducere in notiunile fizice folosite

1. Vaporizare

Proprietatea de vaporizare consta in separarea gazelor continute in lichide si degajarea lor in

atmosfera.

Vaporizarea apare la cresterea temperaturii lichidului sau la scaderea presiunii.

2. Cavitatie

Fenomenul de cavitatie apare in lichidele in miscare si consta in separarea gazelor din

interiorul lichidului (datorita scaderii presiunii – legea lui Bernoulli), formarea unor bule de aer care pot

contine si alte gaze sau material solide in suspensie care cand ajung in zone cu presiune ridicata fac

implozie (peretii se surpa inspre interior). In momentul imploziei gazul continut de aceste bule patrunde

in lichid sub forma unui microjet cu o forta foarte mare care poate distruge suprafetele solide cu care

intra in contact.

Din termodinamica stim faptul ca fierberea se produce la o anumita valoare a temperaturii si

presiunii. De asemenea, daca vom creste presiunea, atunci si temperatura de fierbere creste. Dar daca

scadem presiunea foarte mult atunci fierberea se poate produce chiar si la temperature mediului

ambiant. Daca intr-un lichid, de exemplu, crestem viteza foarte mult stim ca presiunea va scadea. Daca

viteza este suficient de mare si presiunea scade suficient de mult, in lichid apar bulele de cavitatie.

Asadar, putem trage concluzia ca fenomenul de cavitatie este de fapt fierberea lichidului ca urmare a

scaderii de presiune (si nu a cresterii temperaturii asa cum suntem obisnuiti din viata de zi cu zi).

3. Sunetul

Sunetul este din punct de vedere fizic o perturbatie aparuta intr-un anumit mediu, si care se

deplaseaza cu o anumita viteza ( care depinde de natura mediului respectiv).

4. Unda sonora

Sunetul este o unda mecanica care reprezinta o oscilatie a presiunii in solide, lichide sau gaze.

Sunetul se poate deplasa, de asemenea, prin plasma. Deoarece sunetul este o perturbatie in mediul in

care se propaga, sunetul nu se transmite in vid).

O unda sonora reprezinta o serie de compresii si extensii alternative ale aerului. Fiecare

molecula transfera energie moleculei vecine, dar dupa ce unda sonora a trecut, fiecare molecula ramane

in pozitia sa initiala.

Amplitudinea undei reprezinta departarea maxima pe care o inregistreaza punctele din mediulelastic fata de pozitia lor initiala. Cand amplitudinea undei sonore este mai mare, variatiile de presiune

din mediu sunt mai puternice.

Frecventa unei unde sonore masoara numarul de unde care trec printr-un punct din mediu

intr-o secunda. Distanta dintre doua puncte succesive unde a ajuns unda, egal departate de pozitia lor

initiala se numeste lungime de unda.

7/16/2019 Doc1



6

5. Ultrasunet

Se numeste ultrasunet, sunetul care are o frecventa mai mare de 20kHz, si care este

imperceptibil urechii umane. Ultrasunetul este o unda care se deplaseaza longitudinal si este o unda de

compresie.

Viteza de propagare a ultrasunetului este:

c=√ ,

unde ƍ este densitatea mediului in care se propaga sunetul si k compresibilitatea acestuia.

II. Mecanismul fenomenului de sonoluminiscenta

1. Sonocavitatia

Considerand toate informatiile prezentate in capitolul anterior putem afirma faptul ca,bombardand apa cu ultrasunete introducem variatii de presiune in lichid. Totodata, stim faptul ca in

lichid exista gaz dizolvat, care la o scadere a presiunii formeaza fenomenul de cavitatie. Acest proces

este numit sonocavitatie.

Desigur, ca daca folosim apa ca atare, gazul continut in aceasta, la impactul cu ultrasunetele va

forma mai multe bule cavitationale. Pentru a demonstra ceea ce ne-am propus in aceasta lucrare, apa va

trebui sa fie degazeificata in asa fel incat la introducerea ultrasunetelor sa se creeze o singura bula

cavitationala, in intreg volumul.

2. Sonoluminiscenta – ca o cursa cu un roller coaster

Sa ne imaginam o bula de cavitatie in interiorul unui vas cu apa. Din cauza undelor sonore care

o strabat bula va creste in diametru pana intr-un punct critic, cand va incepe sa se colapseze sub propria

ei greutate. Implozia este atat de puternica, incat in momentul cand raza bulei atinge valoarea ei

minima, este generata o lumina. Continuand bombardarea aceleasi bule cu unde sonore de inalta

frecventa, ea repeta acest ciclu de formare-colapsare de circa 30.000 de ori pe secunda.

Ca sa putem vizualiza fenomenul ce are loc in interiorul acestui vas cu apa, Seth J. Putterman

propune sa ne imaginam urmatorul lucru. Daca ai fi intr-un roller coaster, mai intai ai urca greoi o panta

lunga. Cand ai ajunge in varf, masinuta ar intra intr-o portiune de cadere libera, unde acceleratia

negativa te lipeste de scaun. Aceeasi senzatie ar fi si la o bula de aer prinsa intr-un volum cu apa-

exceptand faptul ca picatura aceea micuta ar atinge viteze supersonice si la finalul calatoriei, ai fi strivit

de scaun cu o forta de 1 miliard de ori mai mare decat propria ta greutate. Desigur, mult mai mult decat

organismul tau ar putea suporta. In ceea ce priveste bula, ea reactioneaza acestei forte extraordinare

prin crearea unui flash de lumina, pentru un timp foarte scurt (o mica fractiune dintr-o secunda). Lumina

este preponderent violeta, ceea ce indica ca atunci cand bula se opreste din colaps, interiorul ei devine

mult mai cald decat suprafata soarelui. Ultrasunetul care bombardeaza aceasta bula o face sa emita

7/16/2019 Doc1



7

flash-uri de lumina cu regularitate.

Fig.II.2. Cursa de tip roller coaster a unei bule pulsatorii sta chiar in urma maximelor si

minimelor undelor sonore. Bula ajunge la raza maxima chiar in momentul urmator presiunii minime a

sunetului.1

In procesul de conversie al sunetului in lumina, bula concentreaza energia vibratiilor acustice

cu un factor de un trillion. Unda ce traverseaza bula este de ordinul centimetrilor in timp ce zona care

radiaza lumina este de dimensiuni atomice.

O explicatie plauzibila pentru aceasta sursa de lumina, ramana inca nedescoperita. Flash-urilede lumina sunt atat de scurte incat pentru a masura proprietatile luminii trebuie sa folosim fotodetectori

cu viteza de reactie foarte rapida. De fapt, sonoluminiscenta este singurul mod de a genera flash-uri de

lumina de ordinul picosecundelor care nu necesita laseri foarte puternici. Modelul fizic dupa care

functioneaza sonoluminiscenta si reuseste sa concentreze o putere atat de mare, ar putea sa foloseasca

in cercetarile legate de reactia de fuziune controlata. Incercarile de a explica fenomenul de

sonoluminiscenta genereaza in prezent mult mai multe paradoxuri decat raspunsuri.

Seth J. Putterman2:

,,Recunosc ca atunci cand am auzit prima data de sonoluminiscenta am fost sceptic. Intr-o zi, in

cafeneaua facultatii un coleg ma tachina in legatura cu interesul meu pentru mecanica fluidelor, inspecial despre ecuatiile Navier-Stokes. M-a intrebat ca daca aceste ecuatii sunt atat de geniale, cum se

1 1

Imagine preluata de pe http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono.pdf, site consultat la data de 20

aprilie 2013.2

Seth J. Putterman a obtinut un doctorat la Universitatea Rockefeller in anul 1970, inainte de a se angaja la

Universitatea din California, Los Angeles. Studiile lui include turbulenta, mecanica cuantica a atomilor si

superfluiditatea.

http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono.pdf


7/16/2019 Doc1



8

explica faptul ca se poate obtine lumina din sunet. Bazandu-ma pe intuitie am raspuns ca nu cred ca

sonoluminiscenta este posibila. Dar colegul meu a insistat ca exista si atunci am inceput sa ma

documentez.

Intre anii 1920-1930 am aflat ca in timpul Primului Razboi Mondial chimistii care faceau

cercetari au descoperit un fenomen ciudat: sunetul puternic poate avea rol de catalizator in reactiile ce

au loc in medii apoase. Un om de stiinta german, Reinhard Mecke de la Universitatea din Heidelberg, le-

a comunicat colegilor lui ca energia necesara unei reactii chimice este aceeasi cu cea care elibereaza

radiatia luminioasa dintr-un atom. La scurt timp dupa, in 1934, H. Frenzel si H Schultes din Universitatea

din Cologne, au descoperit sonoluminiscenta intr-un vas cu apa bombardat cu unde sonore.

Poate ca a fost obervatia comuna ca cineva poate genera o scanteie de lumina atingand clanta

usii dupa ce a mers pe un covor. Indiferent de inspiratia avuta, Frenzel si Schultes au explicat emisia de

lumina prin ,,electricitate de frecare”. In experimentul lor unda sonora initia procesul de cavitatie –

cresterea si colapsarea bulei in interiorul lichidului. Au imaginat miscarea bulei in lichid analog cu

frecarea piciorului de covor. Abraziunile cauzeaza incarcarea electrica care se descarca in mediul initial

neutru. O scanteie elibereaza sarcina acumulata. Apoi, cei doi si-au concluzionat lucrarea mentionand ca

au lucruri mai importante de studiat.

La U.C.L.A., Bradley P. Barber, un fost student si eu am devenit foarte entuziasmati in a

caracteriza si intelege mecanismul responsabil pentru sonoluminiscenta. Am aflat ca alti cercetatori abia

ce reusisera sa creeze o singura bula cavitationala (prin degazarea partiala a apei). Acesti cercetatori

erau D. Felipe Gaitan si Lawrence A. Crum. Dar se pare ca entuziasmul meu legat de fenomen a fost mult

mai mare decat al lor. Ei au abandonat cercetarile dar ne-au aratat cum sa ajustam aparatele pentru a

obtine sonoluminiscenta unei singure bule. “

3. Experimentul lui Putterman

Experimentul facut de Putterman a inceput cu un balon de fierbere, un osciloscop, boxe,sensor de lumina. La experimentele initiale Putterman injecta o bula de aer in lichid cu ajutorul unei

seringi. De-a lungul anilor si-a inmbunatatit insa, metoda. Aparatul mai modern consta intr-un traductor

piezoelectric deasupra vasului cilindric umplut cu apa. Traductorul este din ceramica si transforma

oscilatia tensiunii intr-o vibratie mecanica astfel programand caracterisiticile undelor sonore – care sunt

de fapt cicluri compresie expansiune – in apa. Daca imersezi in apa un mic fir de la un prajitor de paine,

curentul va trece prin fir. Atunci cand curentul trece prin fir, firul se incalzeste, facand ca apa din jurul

acestuia sa fiarba. Astfel, o bula formata din vapori de apa se creaza. Inainte ca vaporii sa condenseze ,

aerul dizolvat in apa curge in interiorul bulei, si astfel bula nu mai este formata din vapori de apa, ci de

aer.

7/16/2019 Doc1



9

Fig.II.3.1. Schema instalatiei experimentale3

Bula este apoi ,,prinsa” in centrul vasului cilindric. Acolo forta de flotabiliate (care tinde sa

ridice bula la suprafata libera a lichidului) este adusa in echilibru cu undele sonore. Aceste unde care

echivaleaza cu aproximativ 110 decibeli sunt necesare pentru a genera miscarea caracteristica a bulei

sonoluminescente. Desi volumul acesta este comparabil cu cel al unei alarme de fum aflata la doar

cativa centimetrii, frecventa undei este mai mica decat poate percepe urechea umana.

Putterman si Barber si-au propus sa determine in primul rand durata flash-ului de lumina

generat in timpul miscarii bulei. Pentru a putea realiza acest lucru au avut nevoie de cel mai rapid sensor

de lumina existent. Analiza efectuata a indicat un timp maxim de existenta a luminii undeva in jurul

valorii de 50 de picosecunde. Au mai descoperit si ca lumina se petrecea la intervale de timp ce se

succedeau cu o regularitate uimitoare. Timpul dintre flash-uri consecutive este de 35 de picosecunde.

Pentru a determina raza bulei sonoluminiscente, Barber a pozitionat pe bula, o raza laser si

apoi a masurat lumina imprastiata de aceasta. Intensitatea luminii imprastiata de un obiect sferic

depinde de patratul razei acestuia. Deci, radacina patrata a semnalului indicat de fotodetectori indica

raza bulei.

Fig.II.3.2. Raza laser concentrate pe bula cavitationala sonoluminescenta4

3Imagine preluata de pe en.wikipedia.org, site consultat la data de 15 mai 2013.

4Imagine preluata de pe http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono.pdf, site consultat la data de 20

aprilie 2013.



7/16/2019 Doc1



10

Masuratorile arata ca bula are initial marimea ambientala de cativa microni, pana cand unda

sonora actioneaza asupra ei. Atunci, presiunea scade punand fluidul sub tensiune si facand bula sa isi

mareasca dimensiunile pana la aproximativ 50 de microni. Expansiunea continua pana cand unda sonora

se modifica de la rarefiere la compresiune (din cauza amplitudinii acesteia).

La acest moment de maxima expansiune s-a format un vid relativ in interiorul bulei. Acest

lucru s-a intamplat din cauza faptului ca volumul bulei a crescut foarte mult, dar numarul moleculelor

din interiorul ei nu s-a schimbat. Presiunea atmosferica, insa, actioneaza asupra peretilor exterior ai

bulei. Diferenta de presiune intre interiorul si exteriorul bulei conduc la un colaps catastrofal.

Diamentrul bulei descreste de la 50 de microni pana la aproximativ 0,5 microni. La aceasta dimensiune

bula se opreste brusc din colaps, ca si cum s-ar fi izbit de un perete invizibil. Nu poate deveni mai mica

de atat din cauza fortelor de respingere dintre atomii de gaz. Marimea pana la care o bula poate colapsa

este determinata de fortele Van der Waals in functie de natura nucleilor elementelor chimice aflati in

interiorul bulei. Flash-ul de lumina iese din bula atunci cand aceasta aproape ca a ajuns la raza ei

minima. Dupa emisia de lumina, raza bulei variaza (elastic) de cateva ori si apoi ramane neclintita in apa,

asteptand un nou val de unde sonore.

Desi experimentele pot masura marimea bulei, nicio teorie nu poate explica pana acum modul

in care se succed marimile razelor pe care bula le are pe parcursul fenomenului. Dimensiunea bulei

depinde de cantitatea de gaz care exista inauntru. Lofstedt impreuna cu Putterman studiaza modul in

care gazul aflat in vecinatatea bulei, difuzeaza in interiorul acesteia. Atunci cand bula are dimensiuni

mari, presiunea din interiorul ei este mica; asadar gazul curge in bula, din lichidul inconjurator. Atunci

cand bula are dimensiuni reduse, are loc fenomenul invers. Echilibrul dintre curgere in si din bula

determina dimensiunea medie a acesteia.

Raza unei bule pusa in miscare de un camp sonor slab pare sa respecte regulile acestui model.

Dar aplicand acelasi rationament unei bule de amplitudine mare va conduce la o contradictie in modelulanterior. Raza medie a bulei ar trebui sa creasca odata cu cresterea volumului. In practica, aceasta

relatie are o discontinuitate neobisnuita odata de sonoluminiscenta isi face simtita prezenta: raza medie

descreste brusc pentru un moment. Dupa acest moment, incepe si creste o data cu amplitudinea

sunetului.

Fig.II.3.3. De la stanga la dreapta: aparitia bulei, expansiune lenta, contractie rapida, emisia

luminii 5

5Imagine preluata de pe en.wikipedia.org, site consultat la data de 15 mai 2013.

7/16/2019 Doc1



11

III. Interiorul bulelor cavitationale sonoluminiscente

1. Temperatura interioara a bulelor cavitationale

Pentru ochiul gol stralucirea albastruie a bulei sonoluminiscente seamana foarte bine cu o stea

de pe cer. In 1991, Robert A. Hiller a determinat cat din lumina radiata se afla in spectrul vizibil. A

descoperit ca mare majoritate a luminii se afla in spectrul pe care nu il putem vedea cu ochiul liber.

Rezultatele au aratat ca bula emite mai multa lumina violet decat rosie, si mai mult ultraviolet decat

violet. Spectrul nu s-a putut urmari pentru energii ale fotonilor dincolo de 6 eV, corespunzatori unei

lumini ultraviolete cu lungime de unde de 0.2 microni, deoarece dupa aceste energii lumina nu se mai

poate propaga in apa. Din aceleasi motive, vasul necesar experimentului este construit din cuart, pentru

ca sticla ar bloca lumina ultraviolet. O energie de 6 eV corespunde unei temperaturi de 72.000 K, asa ca

interiorul bulei este arzator de-a dreptul.

Faptul ca o bula de gaz ce colapseaza devine foarte calda poate fi explicate in termenii vietii de

zi cu zi. Sa luam de exemplu locuitorii din sudul Californiei si pe cei din Alpi. Acesti oameni sufera o

vreme torida atunci cand vantul sufla din zone mai inalte inspre zone mai joase. In sudul Californiei

atunci cand vantul bate din zona mai inalta de desert, temperatura de la o altitudine mai scazuta, in

bazinul Los Angeles-ului creste cu 15 . Cresterea brusca a temperaturii este datorata presiunii

atmosferei asupra aerului desertului. Masa de aer ,,cade” aproximativ 1.500 m in drumul ei spre ocean.

La altitudini mai mici presiunea atmosferica este mai mare. Daca diferenta de presiune comprima aerul

mai repede decat acesta poate schimba caldura cu oceanul sau alte corpuri mai reci, atunci aerul este

incalzit adiabat (temperature creste fara a fi necesara o sursa de caldura aditionala).

Temperatura atinsa in interiorul unei bule in colaps este astronomica chiar facand comparatie

cu o zi caniculara in California. Volumul unei bule sonoluminescente scade cu un factor de un million intimp ce raza descreste de o suta de ori.

In anii 1950 E.Noltingk si E.A. Neppiras au calculat ca acea compresie adiabatica a interiorului

bulei, conduce la temperaturi de 10.000 K si presiuni de 10.000 de atmosfere. Presupunem de

asemenea ca suprafata bulei nu vaporizeaza deoarece centrul de presiune si temperatura foarte mare se

afla adanc in interiorul bulei.

Probabil ca daca fizicianul Lord Rayleigh ar fi trait in sudul Californiei, experienta cu vremea l-ar

fi determinat sa prezica sonoluminescenta ca parte din cercetarea lui efectuata in anul 1917. El a fost

angajat de catre Marina Regala din Marea Britanie pentru a cerceta cauza degenerarii elicelor navelor.

Rayleigh a determinat ca micile bule de aer create in timp ce elicea taia apa, erau de vina. Bulele

corodau elicea in timp ce colapsau cu o forta foarte mare. Dar in descrierea colapsului bulelor el apresupus ca acest fenomen asculta de legea lui Boyle (temperature din interiorul bulei ramane

constanta). Daca ar fi realizat ca acest colaps este atat de rapid incat devine adiabatic, el ar fi prezis cu

siguranta temperaturile si presiunile extreme din interiorul bulei.

Dar mai exact, cum ar produce lumina? In conformitate cu studiile celor care au analizat

sonoluminiscenta si sonochimia energia colapsului este suficient de puternica pentru a desface

legaturile dintre moleculele existente in bula. Moleculele disociate are emite lumina in timp ce s-ar

7/16/2019 Doc1



12

recombina. Acest efect, la care se face referire sub denumirea de chemiluminescenta a fost prezentat

pentru prima data in anul 1952 de catre Virginia F. Griffing. Acest fenomen acompaniaza caviatatia

tranzitorie si a fost folosit pentru a initia reactii chimice neobisnuite. Un exemplu este fabricarea fierului

amorf.

Chiar daca comprimarea adiabata a unei bule in colaps este capabila de a concentra o cantitate

uriasa de energie, aceasta nu poate fi raspunsul complet la acest fenomen. O asemenea incalzire,

singura nu ar putea sa genereze spectrul ultraviolet observat de cercetatori. Asadar, o etapa

suplimentara de amplificare a energiei trebuie sa aiba loc. Putterman a dedus un mecanism plauzibil.

Acesta a realizat ca vitezele supersonice de colaps ale bulei ar putea genera unde de soc in interiorul

acesteia. Desi miscarea bulei este oprita de fortele exercitate de molecule una alteia, unda de soc

datorata imploziei ar putea sa continue inauntru si sa concentreze mai mult energia colapsului.

Paul H Roberts si Cheng-Chin Wu au fost unii dintre cercetatorii care au inteles potentialul

undelor de soc in explicarea sonoluminiscentei. Cei doi au aratat ca implozia bulei ar putea genera o

unda de soc in interiorul acesteia care s-ar amplifica odata cu micsorarea diametrului bulei.

Temperaturile si presiunile mari asociate cu frontul undei de soc cresc o data cu micsorarea bulei.

In mod uzual, fronturile de soc sunt predispuse instabilitatilor care corodeaza suprafetele lor,

care in acest fel limiteaza parametrii de implozie. Daca miscarea inspre interior a frontului de unda de

soc lansata de bula ramane intact pana la o raza de 0.1 microni distanta de centrul bulei, temperatura ar

fi de aproximativ 100.000 K. Aceasta caldura este cea necesara pentru ca spectrul emis de lumina

radiata de bula sa aiba acea nuanta ultraviolet observata. Daca unda de soc ajunge pana la o distanta de

20 de nanometrii fata de centrul bulei, temperatura ar ajunge undeva in jurul valorii de un million de

grade Kelvin, temperature capabila sa produca emisia de raze X. Dar, asemenea fotoni nu se pot

propaga prin apa asa ca nu putem determina daca ei chiar exista sau nu.

Fig.III.1.1. Spectrul sonoluminescentei arata ca majoritatea luminii emise este violet. Spectrul este foarte

asemanator cu cel al radiatiei bremsstrahlung – care este emisa de o plasma cu temperatura 100.000 K.6

6Imagine preluata de pe http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono.pdf, site consultat la data de 20

aprilie 2013.



7/16/2019 Doc1



13

2. Unde de soc in bule

In trecut, cercetatorii care studiau sonoluminiscenta si sonochimistii asociau tranzitia bulelor

cavitationale cu puncte fierbinti care luau nastere in interiorul fiecareia dintre bule. In acest model clasic

energia concentrata de colapsul bulei creeaza molecule disociate care emit lumina in timp ce se

recombina.

Cu toate acestea, explicatia prezentata mai sus nu poate explica spectrul ultraviolet emis de o

singura bula de cavitatie supusa unui camp sonor. Masuratorile efectuate indica temperaturi in centrul

bulei mai mari de 10.000 K. aceasta valoare a temperaturii poate fii atinsa numai daca colapsul unei

singure bule este atat de rapid si de simetric incat lanseaza o unda de soc sferica inspre interiorul ei. In

timp ce unda de soc de raza R focuseaza, amplitudinea si viteza ei cresc. In acest caz, solutia ecuatiei

hidrodinamice are forma:

A- Constanta;

t- timpul masurat de la momentul aparitiei undei de soc si pana cand raza acesteia devine

0;b- este 0.7 pentru aer.

Fiecarei unda de soc ii este asociat un numar Mach. Acest numar reprezinta cu cat este mai

mare viteza undei de soc decat viteza de propagare a sunetului in mediul respectiv. Temperatura din

spatele unui front de soc este mult mai mare decat temperatura din fata acestuia; valoarea acestor

temperaturi este proportionala cu patratul numarului Mach.

Pentru o bula de aer care face implozie numarul Mach tinde la infinit pe masura ce unda de

soc se apropie de centrul bulei, ceea ce inseamna ca un proces de incalzire intens are loc. Mai mult

decat atat, atunci cand socul atinge centrul, si explodeaza, moleculele care tocmai au fost in spatele

frontului, acum sunt in fata acestuia. Moleculele fierbinti, sunt lovite pentru a doua oara si temperatura

lor creste din nou cu un factor proportional cu patratul numarului Mach. Temperaturile care pot fi atinsedatorita acestui model matematic sunt extraordinar de mari. In realitate, ele sunt limitate de stabilitatea

frontului de unda de soc. In modelul propus, s-a presupus faptul ca unda de soc ramane sferica pana

atinge raza de 0.1 microni.

In viitor, daca se va intelege pe deplin modul in care sunetul creeaza intr-o bula cavitationala o

unda de soc sferica, implicatiile in domeniul fuziunii nuclear ar putea sa fie nepretuite. Daca acest

mecanism ar fi pe deplin inteles, s-ar putea creea modele matematice imbunatatite pentru confinarea

plasmei in interiorul intastalatiilor de tip Tokamak. In prezent, pentru a realiza reactia de fuziune

nucleara, cercetatorii au propus ca laseri gigantici sa induca implozia a mici granule care contin un

amestec de izotopi ai hidrogenului (deuteriu si tritiu). Implozia sferica este cea care creeaza

temperaturile si densitatile optime pentru a face atomii de hidrogen sa fuzioneze in heliu.

3. Modificarea parametrilor experimentului

Desi mecanismul unei singure bule sonoluminiscente este greu de explicat, fenomenul in sine

este usor de reprodus si modificat. Chiar daca este un fenomen robust, este foarte senzitiv la parametrii

controlabili (cum ar fi intensitatea sunetului, temperature apei). De exemplu, cantitatea de lumina emisa

7/16/2019 Doc1



14

de fiecare flash, creste cu un factor de 200 daca temperatura scade de la 35 la 0 . La temperatura

de 0 , bula emite aproximativ 10 milioane de fotoni cu fiecare flash de lumina.

Senzitivitatea legata de temperatura indica faptul ca putem descoperi mai multe despre

sonoluminiscenta schimband diversi parametrii ai experimentului. Cercetatorii au incercat sa obtina

sonoluminiscenta si in alte lichide decat apa, fara succes, insa. Pentru ca nu au putut schimba fluidul,

atunci au incercat sa schimbe gazul dizolvat in apa. Aceasta alterare a compozitiei apei presupune

expunerea acesteia unui vacuum care aspira gazele dizolvate. Apoi, au dizolvat alte gaze, in apa

respectiva. Evident, procedura se desfasoara intr-un ambient ermetic. Unul dintre cercetatori, a dizolvat

in apa numai azot. El a presupus ca acesta poate fi cauza sonoluminiscentei tinand cont ca 78% din

compozitia aerului contine azot.

Spre surprinderea tuturor, bulele formate numai din azot aproape ca nu emiteau deloc lumina.

Asadar, urmatorul gaz dizolvat in apa a fost oxigenul (care se gaseste in aer intr-o concentratie de 21%).

Dar, din nou nu s-a obtinut rezultatul dorit. O bula cavitationala formata numai din oxigen si

bombardata cu unde sonore produce o lumina foarte slaba. Apoi s-a incercat cu un amestec de azot si

oxigen, dar din nou lumina produsa a fost o dezamagire.Urmatoarea incercare a fost cu argonul (1% din compozitia aerului). Aceasta a dat roade.

Intensitatea luminii a crescut. La fel s-a intamplat si cand gazul dizolvat in apa a fost xenon. In fine, orice

gaz nobil produce un spectru de sonoluminiscenta unic. Se pare ca acel procent de 1% de argon este

cauza producerii sonoluminiscentei, dar inca nu s-a descoperit si motivul.

IV. APLICATIILE SONOLUMINESCENTEI

Fuziunea ,,la rece”

Reactia de fuziune nucleara presupune in acceptiunea clasica a termenului, temperaturi si

presiuni comparabile cu cele din centrul Soarelui. Datorita acestor conditii extreme, atomii de hidrogen

fuzioneaza si formeaza heliul, care avand un numar atomic mai mare este mult mai stabil. Fiind o reactie

care conduce spre o stare de stabilitate mai mare, ea se produce cu o eliberare foarte mare de energie.

Sa luam ca exemplu reactiile dintre izotopi ai hidrogenului, deuteriul si tritiul.

( ) ( ) (1)

( ) ( ) (2)

( ) ( ) (3)

Se observa ca din reactie rezulta un element mai greu decat reactantii, dar si o cantitate

considerabila de energie.

7/16/2019 Doc1



15

Schema reactiei:

Fig.4.1. Schema reacției de fuziune D-T7

Se observă că doi protoni fuzionează formând deuteriu (D) şi eliberând un neutrino şi un

pozitron. Mai departe, deuteriul fuzionează cu un alt proton rezultând astfel, tritiu (T) şi o radiatie

Gamma (γ). În momentul în care doi atomi de tritiu fuzioneaza, se obtin un atom de heliu şi doi protoni.

Apoi lantul de reactii se reia.

Asadar, prin notiunea de fuziune la rece intelegem ca pentru a face posibila reactia de fuziune

nucleara nu mai avem nevoie de temperaturi si presiuni deosebit de ridicate. Acest lucru ar fi beneficintregii omeniri deoarece fuziunea la rece ar fi o sursa ieftina si inepuizabila de energie.

Care este rolul sonocavitatiei in procesul de fuziune nucleara?

Sonofuziunea este denumirea pentru o reactie nucleara de fuziune care are loc in interiorul

bulelor formate in urma cavitatiei acustice. Cel care a descorperit acest fenomen in 2002 este Rusi

Taleyarkhan. Descoperirea facuta de acesta este inconjurata de numeroase controverse legate de faptul

ca alti oameni de stiinta nu au putut sa reproduca experimentul.

Taleyarkhan si colegii lui de la Laboratorul National Oak Ridge au raportat ca experimentul

legat de cavitatia acustica realizat in acetona deuterata (C3D6O) a indicat emisii de tritiu si neutroni

incarcati cu energie comparabila cu cea rezultata in urma fuziunii nucleare. S-a descoperit ca emisia de

neutroni coincidea cu ciclul de expansiune-colaps al bulei cavitationale. Aceasta emisie este datoratacantitatii enorme de temperatura si presiune.

7Imagine preluata de pe http://evolutiestelara.wordpress.com/, site consultat la data de 1 mai 2012.

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon

http://en.wikipedia.org/wiki/Deuterium


http://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen


http://evolutiestelara.wordpress.com/






http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon

7/16/2019 Doc1



16

Fig.IV.2. Aparatul de sonofuziune folosit in experimetul lui Rusi Taleyarkhan8

1. Pompa de vacuum

2. Scintilator lichid

3. Sursa de neutroni

4. Generator de unde sonore

5. Recipient cu fluid

6. Microfon

7. Tub de multiplicare foto

8. Reactia de fuziune dintre atomii de D

Preocuparile comunitatii stiintifice ca experimetul lui Rusi Taleyarkhan nu poate fi adevarat, au

convins sefii cercetatorului de la Universitatea din Purdue, sa aduca doi cercetatori independenti care sa

faca masuratorile cu echipamentul de acolo.

Experimentul facut de cei doi a fost similar cu cel al lui Taleyarkhan, au folosit un amestec de

deuterat de acetona, deuterat de benzen si alte substante chimice. Ceea ce este de retinut este faptul ca

nu au folosit o sursa exterioara de neutroni , dar au utilizat doua tipuri de detectori de neutroni. Cei doiau confirmat succesul experimentului facut de Taleyarkhan. Dupa ce au fost intervievati insa, cei doi au

declarat ca tot Taleyarkhan a fost cel care a facut experimentul, si ca datele obtinute nu ar fi indicat

prezenta sonofuziunii.

8Imagine preluata de pe http://en.wikipedia.org/wiki/Rusi_Taleyarkhan, site consultat la data de 10 mai 2013.

http://en.wikipedia.org/wiki/Rusi_Taleyarkhan

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sonofusion.svg




http://en.wikipedia.org/wiki/Rusi_Taleyarkhan

7/16/2019 Doc1



17

Rusi Taleyarkhan a fost criticat in revistele de specialitate, si in cele din urma i s-a retras chiar

dreptul de a mai fi profesor la universitate. El este un om care a avut alta viziune decat cea a marea

majoritatii oamenilor de stiinta, si a fost pedepsit si batjocorit pentru acest lucru. A fost acuzat chiar ca

ar fi falsificat datele experimentale ale studiilor facute legate de sonofuziune.

V. Sonoluminiscenta in natura

Creveta zgomotoasa concureaza cu animale mult mai mari, cum ar fi balenele pentru titlul de

cea mai zgomotoasa vietate din ocean. Creveta are un cleste specializat pe care il inchide brusc si

zgomotos. Din acest motiv se creaza o presiune acustica de pana la 8 kPa ce se propaga pana la o

distanta de 4 cm de cleste. Aceasta unda sonora produce o bula cavitationala. Dupa ce se indeparteaza

de cleste, bula atinge viteze de 90 km/h si produce un zgomot ajungand la 218 decibeli. Zgomotul este

echivalent cu cel al uni avion supersonic care ar trece la un metru deasupra capului unui om. Presiunea

de acolo este suficient de mare pentru a omori pestii mai mici. Durata unei pocnituri din cleste dureaza

mai putin de 1 ms.

Pocnitura clestelui poate produce, de asemenea, si sonoluminiscenta prin colapsul bulei

cavitationale. In timp ce colapseaza interiorul bulei atinge temperaturi foarte mari. Lumina produsa de

bula cavitationala este in acest caz de o intensitate scazuta si nu este vizibila cu ochiul liber.

Pocnitura clestelui este folosita pentru vanat dar si pentru comunicare. Atunci cand se

hraneste, creveta pocnitoare sta intr-un loc intunecos de pe fundul marii. Isi intrinde antena ca sa

determine daca sunt pesti care trec pe acolo. Odata ce simte miscare, creveta iese din ascunzatoare si isi

pune clestele zgomots la treaba. Prada este imobilizata iar creveta a reusit sa isi procure hrana cu

ajutorul sonocavitatiei.

Fig.V.1. Creveta zgomotoasa9

9Imagine preluata de pe http://en.wikipedia.org/wiki/Alpheidae, site consultat la data de 15 mai 2013.

http://en.wikipedia.org/wiki/Alpheidae

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/86/Synalpheus_fritzmuelleri.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Alpheidae

7/16/2019 Doc1



18

Concluzii si contributii personale

Dupa parerea noastra sonoluminiscenta este un fenomen fizic promitator care merita sa fie

apreciat si analizat de catre cat mai multi oameni de stiinta. Pe langa faptul ca este usor de reprodus, si

exista chiar in natura, implicatiile pe care le are sonoluminescenta sunt uriase. Inteleasa pe deplin,

aceasta ar putea sa reprezinte viitorul energeticii umanitatii.

Analogia dintre bula cavitationala, centrul extrem de fierbinte al acesteia si centrul Soarelui ne

confera o sansa in plus de a reusi sa obtinem o reactie controlata de fuziune nucleara.

Indiferent de conceptiile legate de acest subiect si de faptul ca majoritatea comunitate

stiintifica i-a stigmatizat pe cei care au incercat sa gaseasca o legatura intre sonoluminescenta si fuziune,

acest domeniu trebuie explorat si exploatat la maximum.

Bibliografie

1. David J. Flanning & Kenneth S. Suslick, Plasma formation and

temperature measurement during single-bubble cavitation (Nature, 3 martie 2005);

2. G. Musa (1979), Plasma si viitorul energeticii, Editura Stiintifica si

Enciclopedica, Bucuresti;

3. Philip Eisenberg, Cavitation (curs M.I.T.)

eb.mit.eduhmlncfmf1CAV.pdf ;

4. Seth. J. Putterman, Sonoluminescence: Sound into Light (Scientific

American, februarie 1995);

www.nature.com

5. Wikipedia (2013)

www.wikipedia.org.

http://www.nature.com/

http://www.wikipedia.org/

http://www.wikipedia.org/

http://www.nature.com/

Doc1

Documents

Transcript of Doc1