Сонолюминесценция: 3. Последние мгновения коллапса

Слева: радиус пузырька в последние наносекунды перед коллапсом. Изображение из статьи B. Barbera et al., 1997. Defining the unknowns of sonoluminescence. Справа: температура плазмы внутри пузырька в этот момент. Изображение из статьи M. Brenner et al., 2002. Single-bubble sonoluminescence

А теперь последний этап: мы заглянем вглубь процесса коллапса пузырька, туда, откуда идет световая вспышка.

При резком сжатии газового пузырька растет температура заключенного в нём газа. Но тут есть и дополнительная тонкость. Высокое давление в центре ультразвуковой волны не просто сжимает пузырек, а ускоряет его сжатие. В результате в самые последние мгновения коллапса размер уменьшается всё быстрее и быстрее — и в какой-то момент сжатие становится сверхзвуковым. Внутри пузырька появляется ударная волна, фронт которой проходит сквозь газ внутри пузырька дважды — один раз, когда ударная волна схлопывается, а второй раз, когда она, отскочив от центра, расходится. В оба раза вещество сжимается ударным способом — и каждый раз нагревается еще сильнее.

Длительность этого последнего этапа можно оценить по формуле равномерного движения: скорость ударной волны в сжатом газе — порядка км/сек, размер сжатого пузырька — порядка микрона, поэтому типичное время получается около наносекунды. На рисунке хорошо видно, что в последние наносекунды коллапса скорость сжатия пузырька действительно резко увеличилась. Это именно тот момент, когда в дело вступили ударные волны.

В этот критически важный промежуток времени и умещаются все ключевые явления, приводящие к сонолюминесценции: стадия максимального нагрева — до тысяч и даже десятков тысяч градусов! — и яркая вспышка сонолюминесцентного света. Заканчивается вспышка, когда сжатие сменяется на расширение, и плазма начинает остывать.

Длительность самой вспышки тоже можно измерить экспериментально, а также промоделировать теоретически. Оба метода показали, что свечение длится сотни пикосекунд — это как раз тот временной интервал, в течение которого пузырек застывает в своей сверхгорячей фазе перед тем, как начать расширяться с околозвуковой скоростью.

Сонолюминесценция в одном эффекте умудряется объединить очень разные временные масштабы: микросекунды (период колебаний пузырька), наносекунды (стадия коллапса), и пикосекунды (свечение). Познакомившись со всеми этими временами, мы теперь можем взглянуть на это явление под новым углом:

сонолюминесценция — это результат резкой концентрации энергии, как на временных, так и в пространственных масштабах.

Энергия звуковой волны, накопленная за несколько микросекунд на масштабе в миллиметры, конвертируется в очень высокие температуры на временах порядка наносекунд в микроскопическом объеме.