Sonoluminescenza, quando 'energia sonora si trasforma in luce

Pubblicato il da Lavia

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La sonoluminescenza è lo strano e affascinante fenomeno fisico in cui l'energia sonora viene trasformata in luce.

Il fenomeno è quello per cui una microbolla di gas intrappolata in un liquido emette flash di luce ultrabrevi durante la fase di collasso provocata da una forte pressione acustica. Il fenomeno, conosciuto sin dai primi anni trenta, lo si è iniziato a studiare con specifiche ricerche, solo dal 1988.

 

In un certo senso si tratta di un processo, per quanto se ne sa unico in natura, di conversione di suono in luce. anche se ultimamente ne conosciamo uno di tipo inverso, quello dei TRADUTTORI QUANTICI che convertono luce in suono (inversamente a questo fenomeno)

 

Il fenomeno è stato rivelato per la prima volta quasi ottant'anni  fa (1933) da due fisici tedeschi, nell'osservare la presenza di ampie zone di emulsione annerite su lastre fotografiche esposte a forti campi di ultrasuoni in acqua.

E' però solo dall'inizio degli anni 90 che si è iniziato a produrre sonoluminescenza in modo abbastanza stabile da bolle singole isolate (Single Bubble Sonoluminescence, SBSL).

Da allora l'interesse dei fisici non ha fatto che crescere e molto lavoro sia sperimentale che teorico è stato svolto, senza tuttavia che sostanzialmente nessuno degli aspetti di fondo sia stato finora spiegato.

D'altra parte l'esteso e persistente interesse ha la sua ragione - oltre che naturalmente nella sfida che pone un fenomeno che sembra non lasciarsi spiegare dalla fisica che "conosciamo" - nel fatto che esso può essere considerato una sorta di piccolo (ed economico) laboratorio in cui studiare una varietà di problemi molto interessanti: trasporto termico e di massa, onde di shock, caos, dinamica non lineare di interfacce liquido-gas, tutti fenomeni associati con le oscillazioni fortemente non lineari di bolle di gas in un liquido.

 

Nella SBSL, una bolla di gas delle dimensioni più o meno di un capello, intorno ai 10 micromètri (10 milionesimi di metro) di raggio, viene levitata e intrappolata nell'antinodo dell'onda acustica stazionaria creata all'interno di un risonatore contenente un liquido, tipicamente una semplice boccetta di vetro con acqua.

 

Il campo acustico deve essere sufficientemente intenso da indurre escursioni del raggio della bolla abbastanza ampie, ma non tanto da creare instabilità autodistruttive; l'acqua abbastanza degasata per evitare di rendere instabile la posizione della bolla. Considerate le dimensioni dei risonatori impiegati, la frequenza di eccitazione è sui 25 kilohertz; la pressione acustica a cui il fenomeno si manifesta dell'ordine dei 120 kilopascal (195 decibel).

 

Ad ogni ciclo del campo acustico, la bolla è indotta a espandersi durante il semiperiodo in cui la pressione acustica diminuisce, fino a raggiungere un raggio massimo di circa 50 micromètri, per poi riprendere a comprimersi e ridursi a un raggio di circa 0,5 micromètri, durante il semiperiodo di compressione acustica.

 

Nel collasso avviene l'emissione del flash di luce; e tutto questo si ripete regolarmente alla frequenza acustica di eccitazione (25 mila volte al secondo, se questo è il suo valore) e anche per tempi molto lunghi, di diverse ore. Ciò che appare ad occhio nudo, nel laboratorio oscurato, è un puntino luminoso di colore bluastro al centro del piccolo risonatore di vetro (c'è chi l'ha definito, un po' suggestivamente, "stella in un bicchiere").

 

I lampi di luce risultano molto brevi - troppo per essere misurati direttamente anche con i più veloci rivelatori disponibili - di durata comunque valutata inferiore ai 50 picosecondi (un picosecondo equivale a mille miliardesimi di secondo); abbastanza intensi, comprendendo intorno ai centomila fotoni, e soprattutto estremamente ben sincronizzati (con una stabilità anch'essa dell'ordine delle decine di picosecondi) con le fasi di espansione e compressione del campo acustico che li induce.

 

Lo spettro della luce emessa ha un andamento molto regolare, senza picchi, estendendosi dal vicino ultravioletto lungo tutto il visibile, e perfettamente consistente con l'irraggiamento che risulterebbe da un corpo nero ad una temperatura di almeno 20 mila gradi: questo sarebbe dunque il valore di temperatura raggiunto al centro della bolla nel momento dell'emissione. Particolare, questo, per certi versi inquietante, ma non più della constatazione che dietro il manifestarsi del processo ci dev'essere una fenomenale concentrazione di energia, di molti ordini di grandezza (diciamo come moltiplicare l'energia iniziale per un numero formato da un 1 seguito da undici o dodici zeri), per passare dall'energia acustica fornita alla bolla, a quanto essa restituisce come radiazione elettromagnetica emessa.

 

Della fenomenologia di queste simpatiche bollicine si sa dunque parecchio, grazie alla grande quantità di sofisticate osservazioni sperimentali compiute negli ultimi anni. A quanto appena elencato occorrerebbe aggiungere che il liquido più adatto al manifestarsi del fenomeno è proprio l'acqua; che i gas nobili disciolti nel liquido, come l'argo e lo xeno, giocano un ruolo importante; che l'intensità dei flash di luce è molto sensibile alla temperatura ambiente, e così via. Ciò che manca è una loro spiegazione convincente, nonostante la pletora di modelli teorici fino ad oggi proposti in letteratura.

 

Attualmente le teorie che cercano di spiegare il fenomeno sono diverse, ma nessuna spiega completamente il fenomeno. . Alcune tra queste teorie che sembrano avere avuto un maggiore successo:

  • l'onda d'urto;
  • la formazione di getti (jet);
  • la solidificazione ad alte pressioni;
  • l'emissione indotta da collisione;
  • la scintillazione dei gas;
  • la radiazione di vuoto quantistica;
  • l'emissione da atomi compressi.

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Monica C. 02/27/2012 17:21

complimenti, non è da tutti saper scrivere di certi argomenti...

Laura 02/27/2012 10:31

La mia ignoranza in materia credo sia sconfinata... è un fenomeno che non conoscevo. :-)

Tiziana 02/26/2012 19:14

Un fenomeno molto affascinante.

Lavia 02/27/2012 04:43



Anche a me ha incuriosito, in effetti non se ne sente parlare molto..