Icon up Overzicht

Licht uit geluid?

Onderwerp: Elektromagnetisch spectrum, Licht, Optica (licht en lenzen) (havo), Thermische processen, Trilling en golf

Vooral in de toegepaste natuurkunde wordt veel onderzoek gedaan naar het gedrag van bellen. Bellen kunnen sterk reageren op geluid, en dan zelfs licht produceren. Dit wordt ook wel sonoluminescentie genoemd. Deze omzetting van geluid in licht is een energiebundeling van 12 ordegroottes! Dit wekte de interesse van menig onderzoeker, en zelfs van Hollywood. In de film Chain Reaction uit 1996 speelt sonoluminescentie naast Keanu Reeves een hoofdrol.

Een gemiddelde opstelling om sonoluminescentie aan te tonen ziet eruit zoals op de foto hierboven. De trilelementen brengen in de kolf een akoestische golf aan met een geluidsfrequentie die boven het gehoorbereik van een mens ligt. De luchtbel in het midden zal gaan oscilleren. Dit veroorzaakt lichtflitsen.

Geschiedenis

De eerste keer dat sonoluminescentie direct werd waargenomen was al in 1934, maar het was eigenlijk onbedoeld. Twee onderzoekers van de universiteit van Keulen waren aan het onderzoeken of ze de eigenschappen van ontwikkelvloeistof (voor foto's) konden verbeteren door er geluidsgolven doorheen te sturen. Ze hoopten op een snellere ontwikkeling van foto's, maar vonden na het experiment allemaal kleine lichte puntjes op de foto. Er moest dus iets licht uitzenden tijdens het proces, alleen wat er precies gebeurde was niet duidelijk.
De eerste keer dat daadwerkelijk in een enkele bel gecontroleerd sonoluminescentie optrad, was aanzienlijk later. In 1989 deed een promovendus, Felipe Gatain, systematische metingen aan een bel in een geluidsveld. Zijn begeleider Crum had al eerder lichtflitsen uit een soortgelijke situatie zien ontstaan en vroeg zich af waar dat vandaan kwam. Gatain ontdekte dat bij de juiste drukomstandigheden een enkele bel ontstond die lichtflitsen uitzond die zonder hulpmiddelen zichtbaar waren.

Hier zie je een animatie van het proces. Om de tekst te lezen kun je de film stop zetten en beeldje voor beeldje bekijken.

Hoe werkt het?

Door geluidsgolven een vloeistof in te sturen ontstaan er drukverschillen in de vloeistof. Geluid bestaat namelijk uit verdikkingen en verdunningen in het medium.
Dit wordt wel een longitudinale golf genoemd. Op plaatsen waar zo’n verdunning is, kan de druk zo laag worden dat het onder de dampdruk komt van het water; het water kookt in feite. Er ontstaan belletjes.

Een mooie uitleg van het begrip dampdruk kun je lezen aan het begin van het artikel Kritieke eigenschappen van Alkanen.

Meer weten over de geluidsdruk? Bestudeer dan de volgende bijles: Geluidsdruk.

In de bijles Decibelschaal is een mooie animatie te zien waar de verdikkingen en verdunningen goed zichtbaar zijn gemaakt.

Dit fenomeen is ook verantwoordelijk voor grote schade aan bijvoorbeeld scheepsschroeven. Rond een scheepsschroef is de snelheid van het water groot, zodat de druk lager wordt. Ook hier kan die plaatselijk onder de dampdruk komen, en zullen er belletjes vormen. De bellen klappen met veel geweld weer in elkaar, waardoor nabijliggende oppervlaktes beschadigd raken.

Een zwaarbeschadigde scheepschroef. Het gevolg van cavitatie.

Deze wolk van cavitatiebellen kan onder de juiste omstandigheden veranderen in één enkele bel die precies in de verdunning van de staande golf blijft hangen. Deze bel is stabiel; hij kan een tijd blijven bestaan. Voor uitzenden van licht is het noodzakelijk dat er een klein gedeelte edelgas, zoals argon, in de bel aanwezig is.

Van geluid naar licht

In de animatie bovenaan is weergegeven hoe sonoluminescentie gemaakt kan worden. De opstelling is eigenlijk verbazend simpel. In een grote fles bouw je een staande golf op, door trillende elementen te monteren. Die maken ontzettend harde ultrasone trillingen (100 dB; een overvliegende straaljager!) Er ontstaan enorme drukverschillen in de vloeistof. De bel begint uit te zetten als er een verdunning langskomt. Er zijn hoofdzakelijk edelgasmolekulen aanwezig in de bel, omdat de andere stoffen opgelost zijn in het water. De bel zet uit onder invloed van de verdunning en daardoor komt er wel weer waterdamp de bel in. Hierna stopt de expansie van de bel en zit er meer water dan edelgas in. Omdat de bel nu inmiddels in een verdikking terecht komt, wordt de bel weer samengeduwd. Er condenseert weer wat water aan de rand. Uiteindelijk gaat de compressie steeds sneller, zodat het verandert in een adiabatisch proces.

Een adiabatisch proces wil zeggen dat het zo goed geïsoleerd is van de rest van het water dat de bel geen warmte uit kan wisselen met zijn omgeving.

De temperatuur stijgt nu snel door de compressie, en het aanwezige water valt uit elkaar in H+ en OH- , het water ioniseert. Deze ionen lossen weer op in het water. Door de compressie haalt de temperatuur in de bel minimaal 10.000 K.

Deze temperatuurstijging neem je ook waar in een fietspomp. Het ventiel voelt warm aan als je je fietsband oppompt. Die warmte zorgt ervoor dat het edelgas ioniseert.

Ionisatie wil zeggen dat een elektron zo warm wordt, dat die van de kern van het atoom los kan komen. Door de warmte heeft het elektron zoveel energie dat die kan ontsnappen aan de bindende kracht van het atoom. Het plasma (een samenstelling van ionen en elektronen) gaat een reactie aan, en als het edelgas weer samengaat met het elektron blijft er een beetje energie over. Dit zijn de lichtflitsen die je ziet. Bij de volgende golf zal het hele proces zich herhalen.

Van beweging naar geluid

De scharen klapperen waanzinnig snel en produceren erg veel geluid.

Je kunt het bovenstaande vergelijken met een kreeft die met zijn scharen klappert. Een kreeft kan zijn scharen sluiten met enorme snelheid (als hij zijn best doet tot boven de 30 000 keer per minuut.Het uiteinde van zijn bewegende schaar kan een snelheid bereiken van 20 m/s. Het water tussen de scharen wordt weggeperst en vormt een straal met een snelheid van ongeveer 100 km/h. De watersnelheid is zo groot dat de plaatselijk de druk enorm daalt en er cacitatie optreedt. Er wordt daarbij ook energie omgezet in geluid. Hieronder zie je de bweging van de scharen vastgelegd met een hogesnelheid camera. Je kun ook het geluid wat daarbij ontstaat beluisteren.

Download bestand(PDF)
Je kunt hier een geluidsopname downloaden van klapperende kreeften. De opname is met een onderwatermicrofoon gemaakt.

Lees meer daarover...

Toepassingen

In maart 2002 ontstond er nogal commotie toen in Science een artikel verscheen waarin werd beweerd dat er in een sonoluminescente bel kernfusie mogelijk is. Op basis van berekeningen verwachtten de onderzoekers een temperatuur die hoog genoeg was om kernfusie aan de gang te krijgen. In een experiment kregen ze dit naar eigen zeggen inderdaad voor elkaar. Dit experiment is echter nog nooit succesvol herhaald en het is de vraag of het überhaupt mogelijk is de temperaturen te halen die nodig zijn voor kernfusie.

Referenties:

[1] Single-bubble sonoluminescence. Brenner, Hilgenfeldt & Lohse, Rev. Mod. Phys., Vol. 74, No. 2, April 2002

[2] A simple explanation of light emission in sonoluminescence, Hilgenfeldt, Grossman & Lohse, Nature 398, 1999, blz. 204