La sonoluminescenza è un fenomeno fisico in cui l'energia sonora viene trasformata in luce. Nonostante il fenomeno fosse noto sin dai primi anni trenta del XX secolo, l'effettuazione di indagini e misure precise si è rivelato un compito molto difficile: solo dal 1988 si è iniziato a studiarlo con ricerche mirate.
Storia Il termine "sonoluminescenza" deriva dalla fusione di due parole latine, sonus (suono) e lumen (luce).
Il fenomeno si produce con una piccola bolla di gas immersa in un fluido che, collassando rapidamente, emette della luce. Si parla in questo caso di Sonoluminescenza a bolla singola (SBSL), mentre si parla di Sonoluminescenza a bolle multiple (MBSL) se ad emettere luce sono più bolle.
Le prime osservazioni di sonoluminescenza risalgono al 1933, quando N. Marinesco e J. J. Trillat osservarono che una lastra fotografica era stata annebbiata dall'immersione in un liquido che era stato agitato dagli ultrasuoni. Un anno più tardi, H. Frenzel e H. Schultes, dell'Università di Colonia, utilizzando gli ultrasuoni, riuscirono a riprodurre nell'acqua una luce debole ma visibile. I due studiosi cercarono di spiegare il fenomeno da loro osservato suggerendo che fosse un fenomeno elettrico causato dal moto delle bolle, ma poi abbandonarono le loro ricerche, in quanto il fenomeno era stato ritenuto di scarso interesse.
Le SLBM sono molto difficili da studiare; emettono luce per pochi nanosecondi e sono in costante movimento. In passato le ricerche erano pertanto limitate dagli intervalli temporali e spaziali tipici di queste nubi di bolle. Nel 1988 però, Hugh G. Flynn realizzò un modello teorico del moto acustico della bolla che permise in seguito a Felipe Gaitan di trovare le condizioni necessarie per ottenere la sonoluminescenza da una bolla singola.
Una SLBS è molto più facile da studiare, poiché ci si trova in presenza di una bolla singola, stazionaria. 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 fu proseguita dal dottor Seth Putterman all'UCLA. Putterman ha pubblicato diversi articoli sull'argomento e determinato molte delle caratteristiche note delle SLBS. Una bolla singola è molto più brillante di un SLBM, il che rende gli studi spettrali più semplici.
Il fenomeno, comunque, è ancora poco noto a causa dei molti modelli teorici proposti.
Teorie Varie sono le teorie che hanno cercato di spiegare il fenomeno e descriverne i meccanismi, tutte con diversi punti a loro favore. Nessuna di queste teorie, però, è in grado di spiegare, in modo completo, tutte le proprietà della sonoluminescenza. Alcune tra queste teorie 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.
Nessuna delle teorie riesce a spiegare, in maniera completa, tutte le proprietà della sonoluminescenza. Di ognuna viene data, nelle sezioni seguenti, una descrizione più o meno breve.
Onda d'urto Questa teoria fu proposta per la prima volta da Seth Putterman. La teoria 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 200 Mbar. In queste condizioni le forze di Van der Waals nel gas diventano significative e la bolla smette di collassare. La parete della bolla decelera di 1011g, ma un'onda d'urto 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 1012 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, alcune ricerche (The American Institute of Physics, Bulletin 355 20 gennaio 1998, P. F. Schewe & B. Stein) hanno stabilito che l'intero spettro brilla per il medesimo intervallo di tempo. Questo modello, invece, prevede 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 provochino 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.
Questa teoria fornisce un meccanismo ragionevole per la concentrazione dell'energia nella bolla, ma ha alcune imperfezioni: ad esempio non predice alcun aumento nell'intensità per l'acqua riscaldata.
Formazione di jet Questa teoria è di molto successiva alla precedente e le due si escludono a vicenda. Andrea Prosperetti, propositore del modello, ipotizzò che la bolla, mentre collassa, non rimanga sferica, ma si deformi generando al suo interno un cilindro di acqua, il quale, una volta generato, si distacca dalla superficie interna della sfera attraversando l'interno della bolla stessa. Dalle simulazioni, pare che questo cilindro, detto anche jet, possa viaggiare a circa 2500 chilometri all'ora, facendo sì che al momento della sua uscita dalla bolla possa generare una intensa forza d'urto, tale da produrre una emissione di radiazione elettromagnetica anche nello spettro visibile (Luminescenza). Il meccanismo di emissione della radiazione elettromagnetica si suppone essere la triboluminescenza, 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 riscontrate nella sonoluminescenza. Oltre all'acqua, per produrre il lampo di luce, sono necessarie piccole quantità di gas nobili. 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 È, in pratica, la ripetizione della teoria delle onde d'urto 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 d'urto.
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.
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 collasso. 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
dove ω è la frequenza angolare, T la temperature, ρ1 e ρ2 le densità dei due gas, c la velocità del suono NL il numero di Loschmidt, V il volume della bolla, ge la densità spettrale.
Scintillazione dei gas Questa teoria 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.
Radiazione di vuoto quantistica